JP2015005604A - Solar cell module, and photovoltaic power generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池モジュール及び太陽光発電装置に関するものである。 The present invention relates to a solar cell module and a solar power generation device.
集光板の端面に太陽電池セルを設置し、集光板の内部を伝播した光を太陽電池セルに入射させて発電を行う太陽光発電装置として、特許文献1に記載の太陽光エネルギー変換器が知られている。この太陽光エネルギー変換器は、集光板内に入射した太陽光によって蛍光体を発光させ、蛍光体から放射された蛍光を集光板の端面に設置された太陽電池セルに伝播させることで発電している。
A solar energy converter described in
一方、特許文献2及び特許文献3には、導光体の内部に複数の蛍光体を分散させ、導光体に入射した光を、当該光よりも太陽電池素子において分光感度の高い光に変換し太陽電池素子に入射させる構成が開示されている。
On the other hand, in
ところで、太陽光スペクトルは280nm〜4000nmの波長域を有する。特許文献1〜3においては、蛍光体によって、太陽光スペクトルのうち300nm〜600nmの波長域の光を吸収することができるが、600nmを超える波長域の光を吸収することはできない。そのため、太陽光スペクトルのうち600nmを超える波長域の光は、導光体を透過し、発電に寄与しない。よって、特許文献1〜3では、高い発電効率を得ることはできない。
By the way, a sunlight spectrum has a wavelength range of 280 nm to 4000 nm. In
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、高い発電効率を得ることが可能な太陽電池モジュール及び太陽光発電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solar cell module and a solar power generation device capable of obtaining high power generation efficiency.
上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用した。
(1)すなわち、本発明の第一の態様に係る太陽電池モジュールは、光入射面と、前記光入射面よりも面積の小さい光射出面と、を有し、前記光入射面から入射した外光の一部を1又は複数の光機能材料によって吸収し、前記1又は複数の光機能材料で吸収された光とは異なる光に変換して前記光射出面から射出させる集光板と、前記集光板の前記光射出面から射出された光を受光する太陽電池素子と、前記光入射面に入射した光のうち前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光を吸収し、前記1又は複数の光機能材料のいずれかによって吸収される光に変換して射出する波長変換体と、を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
(1) That is, the solar cell module according to the first aspect of the present invention has a light incident surface and a light exit surface having an area smaller than that of the light incident surface. A condensing plate that absorbs part of light by one or more optical functional materials, converts the light into light different from the light absorbed by the one or plural optical functional materials, and emits the light from the light exit surface; A solar cell element that receives light emitted from the light exit surface of the light plate, and absorbs light that has not been absorbed by any of the one or more optical functional materials among light incident on the light incident surface; And a wavelength converter that converts the light to be absorbed by any one of the one or more optical functional materials and emits the light.
(2)上記(1)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、前記集光板の前記光入射面とは反対側の面の側に配置されていてもよい。 (2) In the solar cell module according to (1), the wavelength converter may be disposed on the surface of the light collector plate opposite to the light incident surface.
(3)上記(2)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、前記集光板の前記光入射面とは反対側の面の側に空気層を介して配置されていてもよい。 (3) In the solar cell module according to (2), the wavelength converter may be disposed on the surface of the light collector opposite to the light incident surface via an air layer.
(4)上記(2)又は(3)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、無機波長変換材料からなる複数の粒子を含んでいてもよい。 (4) In the solar cell module according to the above (2) or (3), the wavelength converter may include a plurality of particles made of an inorganic wavelength conversion material.
(5)上記(4)に記載の太陽電池モジュールでは、互いに隣り合う2つの前記粒子の間には空隙が形成されていてもよい。 (5) In the solar cell module according to (4), a gap may be formed between two particles adjacent to each other.
(6)上記(2)から(5)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体の前記集光板の側とは反対側には反射板が配置されていてもよい。 (6) In the solar cell module according to any one of (2) to (5), a reflection plate may be disposed on the side of the wavelength converter opposite to the light collector. .
(7)上記(6)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、前記反射板の前記集光板の側の面に形成されていてもよい。 (7) In the solar cell module according to (6), the wavelength converter may be formed on a surface of the reflector on the light collector side.
(8)上記(2)から(7)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、前記光入射面に入射した光のうち前記集光板を通過した光の少なくとも一部を散乱してもよい。 (8) In the solar cell module according to any one of (2) to (7), the wavelength converter includes at least light that has passed through the light collecting plate among light incident on the light incident surface. Some may be scattered.
(9)上記(1)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、前記集光板の内部に含まれていてもよい。 (9) In the solar cell module according to (1), the wavelength converter may be included in the light collector.
(10)上記(9)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体の少なくとも一部は、有機波長変換材料からなる複数の粒子を含んでいてもよい。 (10) In the solar cell module according to (9), at least a part of the wavelength converter may include a plurality of particles made of an organic wavelength conversion material.
(11)上記(9)又は(10)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体の少なくとも一部は、無機波長変換材料からなる複数の粒子を含んでいてもよい。 (11) In the solar cell module according to (9) or (10), at least a part of the wavelength converter may include a plurality of particles made of an inorganic wavelength conversion material.
(12)上記(1)から(11)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュールでは、前記1又は複数の光機能材料のいずれかの吸収スペクトルのピーク波長と前記波長変換体の発光スペクトルのピーク波長とが概ね一致していてもよい。 (12) In the solar cell module according to any one of (1) to (11), the peak wavelength of the absorption spectrum of any one or the plurality of optical functional materials and the emission spectrum of the wavelength converter. The peak wavelength may substantially match.
(13)上記(12)に記載の太陽電池モジュールでは、前記複数の光機能材料は、互いに異なる複数種類の光機能材料であり、前記複数種類の光機能材料のうち少なくとも一種の光機能材料の吸収スペクトルのピーク波長と前記波長変換体の発光スペクトルのピーク波長とが概ね一致していてもよい。 (13) In the solar cell module according to (12), the plurality of optical functional materials are different types of optical functional materials, and at least one type of optical functional material among the plurality of types of optical functional materials. The peak wavelength of the absorption spectrum may substantially coincide with the peak wavelength of the emission spectrum of the wavelength converter.
(14)上記(12)又は(13)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、互いに異なる複数種類の波長変換体であり、前記複数種類の波長変換体のうち少なくとも一種の波長変換体の発光スペクトルのピーク波長と前記1又は複数の光機能材料のいずれかの吸収スペクトルのピーク波長とが概ね一致していてもよい。 (14) In the solar cell module according to (12) or (13), the wavelength converter is a plurality of types of wavelength converters different from each other, and at least one type of wavelength converter among the plurality of types of wavelength converters. The peak wavelength of the light emission spectrum of the body may substantially coincide with the peak wavelength of the absorption spectrum of any one of the one or more optical functional materials.
(15)上記(1)から(14)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光の少なくとも一部を、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光よりも短波長の光に変換してもよい。 (15) In the solar cell module according to any one of (1) to (14), the wavelength converter includes at least light that has not been absorbed by any of the one or more optical functional materials. A part of the light may be converted into light having a shorter wavelength than light that has not been absorbed by any of the one or more optical functional materials.
(16)上記(15)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体のいずれかによって吸収される光の波長域は、前記1又は複数の光機能材料のいずれかによって吸収される光の波長域よりも長波長であってもよい。 (16) In the solar cell module according to (15), the wavelength range of light absorbed by any of the wavelength converters is the wavelength of light absorbed by any of the one or more optical functional materials. The wavelength may be longer than the region.
(17)上記(16)に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光と相互作用する発光中心を有し、前記発光中心は、基底状態との間に、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光が有するエネルギー以下のエネルギーギャップを持つ第1の励起状態を有していてもよい。 (17) In the solar cell module according to (16), the wavelength converter includes a light emission center that interacts with light that is not absorbed by any of the one or more optical functional materials, and the light emission. The center may have a first excited state having an energy gap equal to or less than the energy of the light that has not been absorbed by any of the one or more optical functional materials between the center and the ground state.
(18)上記(17)に記載の太陽電池モジュールでは、前記発光中心は、基底状態との間に、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光が有するエネルギーよりも高いエネルギーギャップを持つ第2の励起状態を有していてもよい。 (18) In the solar cell module according to (17), the emission center is higher than energy of light that is not absorbed by any of the one or more optical functional materials between the ground state and the ground state. You may have the 2nd excitation state with an energy gap.
(19)上記(18)に記載の太陽電池モジュールでは、前記第1の励起状態は、基底状態との間の電子遷移が禁制であってもよい。 (19) In the solar cell module according to (18), electronic transition between the first excited state and the ground state may be prohibited.
(20)上記(19)に記載の太陽電池モジュールでは、前記発光中心は、開殻f電子を有する元素を含んでいてもよい。 (20) In the solar cell module according to (19), the emission center may include an element having open-shell f electrons.
(21)上記(20)に記載の太陽電池モジュールでは、前記元素は、希土類元素であってもよい。 (21) In the solar cell module according to (20), the element may be a rare earth element.
(22)上記(20)又は(21)に記載の太陽電池モジュールでは、前記元素は、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、又はHo(ホルミウム)であってもよい。 (22) In the solar cell module according to (20) or (21), the element may be Er (erbium), Tm (thulium), or Ho (holmium).
(23)上記(16)から(22)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュールでは、前記波長変換体は、増感剤を含んでいてもよい。 (23) In the solar cell module according to any one of (16) to (22), the wavelength converter may include a sensitizer.
(24)上記(23)に記載の太陽電池モジュールでは、前記増感剤は、Yb(イッテルビウム)であってもよい。 (24) In the solar cell module according to (23), the sensitizer may be Yb (ytterbium).
(25)本発明の第一の態様に係る太陽光発電装置は、上記(1)から(24)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュールを備えていることを特徴とする。 (25) The solar power generation device according to the first aspect of the present invention includes the solar cell module according to any one of (1) to (24) above.
本発明によれば、高い発電効率を得ることが可能な太陽電池モジュール及び太陽光発電装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solar cell module and solar power generation device which can obtain high electric power generation efficiency can be provided.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図23を用いて説明する。
尚、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
[First embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In all of the following drawings, in order to make each component easy to see, the scale of the size may be varied depending on the component.
図1は、第1実施形態に係る太陽電池モジュール1を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a
図1に示すように、太陽電池モジュール1は、集光板2と、太陽電池素子3と、波長変換体7と、反射板8と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
集光板2は、第1主面2aと、第2主面2bと、端面2cと、を有している。第1主面2aは、光入射面である。第2主面2bは、第1主面2aとは反対側の面である。端面2cは、光射出面である。
The
集光板2は、透明基材20中に、蛍光体21を分散させた蛍光集光板である。透明樹脂20は、PMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂)等のアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂などの透明性の高い有機材料、もしくはガラスなどの透明性の無機材料からなる。PMMA樹脂としては、三菱レイヨン社製のアクリライト(登録商標)は広い波長域に対して高い透光性を有することから好適である。
The
本実施形態では、透明基材20としてPMMA樹脂(屈折率1.49)を用いる。集光板2は、このPMMA樹脂中に蛍光体21を分散させて形成されている。なお、この集光板2の屈折率は、分散させている蛍光体21の量が少ないため、PMMA樹脂と同程度の1.50となっている。
In this embodiment, PMMA resin (refractive index 1.49) is used as the
蛍光体21は、紫外光または可視光を吸収して可視光または赤外光を発光し放射する光機能材料である。光機能材料としては、有機蛍光体が挙げられる。
このような有機蛍光体としては、クマリン系色素、ペリレン系色素、フタロシアニン系色素、スチルベン系色素、シアニン系色素、ポリフェニレン系色素,キサンテン系色素,ピリジン系色素、オキサジン系色素、クリセン系色素、チオフラビン系色素、ペリレン系色素、ピレン系色素、アントラセン系色素、アクリドン系色素、アクリジン系色素、フルオレン系色素、ターフェニル系色素、エテン系色素、ブタジエン系色素、ヘキサトリエン系色素、オキサゾール系色素、クマリン系色素、スチルベン系色素、ジ−およびトリフェニルメタン系色素、チアゾール系色素、チアジン系色素、ナフタルイミド系色素、アントラキノン系色素等が好適に使用され、具体的には、3−(2’−ベンゾチアゾリル)−7−ジエチルアミノクマリン(クマリン6)、3−(2’−ベンゾイミダゾリル)−7−N,N−ジエチルアミノクマリン(クマリン7)、3−(2’−N−メチルベンゾイミダゾリル)−7−N,N−ジエチルアミノクマリン(クマリン30)、2,3,5,6−1H,4H−テトラヒドロ−8−トリフルオロメチルキノリジン(9,9a,1−gh)クマリン(クマリン153)などのクマリン系色素や、クマリン色素系染料であるベーシックイエロー51や、ソルベントイエロー11、ソルベントイエロー116などのナフタルイミド系色素や、ローダミンB、ローダミン6G、ローダミン3B、ローダミン101、ローダミン110、スルホローダミン、ベーシックバイオレット11、ベーシックレッド2などのローダミン系色素、1−エチル−2−〔4−(p−ジメチルアミノフェニル)−1,3−ブタジエニル〕ピリジニウム−パークロレート(ピリジン1)などのピリジン系色素、さらには、シアニン系色素、あるいはオキサジン系色素などが用いられる。
The
Such organic phosphors include coumarin dyes, perylene dyes, phthalocyanine dyes, stilbene dyes, cyanine dyes, polyphenylene dyes, xanthene dyes, pyridine dyes, oxazine dyes, chrysene dyes, thioflavine Dyes, perylene dyes, pyrene dyes, anthracene dyes, acridone dyes, acridine dyes, fluorene dyes, terphenyl dyes, ethene dyes, butadiene dyes, hexatriene dyes, oxazole dyes, coumarins Dyes, stilbene dyes, di- and triphenylmethane dyes, thiazole dyes, thiazine dyes, naphthalimide dyes, anthraquinone dyes and the like are preferably used. Specifically, 3- (2′- Benzothiazolyl) -7-diethylaminocoumarin (bear) Phosphorus 6), 3- (2′-Benzimidazolyl) -7-N, N-diethylaminocoumarin (coumarin 7), 3- (2′-N-methylbenzimidazolyl) -7-N, N-diethylaminocoumarin (coumarin 30) , 2,3,5,6-1H, 4H-tetrahydro-8-trifluoromethylquinolidine (9,9a, 1-gh) coumarin (coumarin 153) and other coumarin dyes, and basic coumarin dyes Naphthalimide dyes such as yellow 51, solvent yellow 11 and solvent yellow 116; rhodamine dyes such as rhodamine B, rhodamine 6G, rhodamine 3B,
なお、蛍光体として無機蛍光体を用いることもできる。
さらに、各種染料(直接染料、酸性染料、塩基性染料、分散染料など)も、蛍光性があれば本発明の蛍光体として使用可能である。
An inorganic phosphor can also be used as the phosphor.
Furthermore, various dyes (direct dyes, acid dyes, basic dyes, disperse dyes, etc.) can be used as the phosphor of the present invention as long as they have fluorescence.
本実施形態の場合、集光板2の内部には、1種類の蛍光体21が分散されている。蛍光体21は、橙色光を吸収して赤色の蛍光を放射する。本実施形態では、蛍光体21としてBASF社製LumogenR305(商品名)を用いる。蛍光体21は、概ね600nm以下の波長の光を吸収する。蛍光体21の発光スペクトルは、610nmにピーク波長を有する。
In the case of the present embodiment, one type of
なお、1種類の蛍光体を用いる場合に限らず、複数種類(2種類もしくは3種類以上)の蛍光体を用いてもよい。 In addition, you may use not only the case where 1 type of fluorescent substance is used but multiple types (2 types or 3 types or more) fluorescent substance.
蛍光体を二種以上併用する場合、これら蛍光体の間でフェルスター機構によるエネルギー移動を生じさせ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい蛍光体から放射された光を、太陽電池素子への射出光とするように構成してもよい。 When two or more phosphors are used in combination, energy transfer is caused between these phosphors by the Forster mechanism, and light emitted from the phosphor having the largest peak wavelength of the emission spectrum is emitted to the solar cell element. You may comprise as follows.
フェルスター機構は、光の発生及び吸収のプロセスを経ずに、近接した2つの蛍光体の間で励起エネルギーが電子の共鳴により直接移動するものである。フェルスター機構による蛍光体間のエネルギー移動は、光の発生及び吸収のプロセスを介さずに行われるため、最適条件では、エネルギー移動効率はほぼ100%にすることが可能であり、エネルギーのロスが小さい。よって、太陽電池モジュールの発電効率の向上に寄与する。エネルギーのロスを抑制して効率よく発電を行うためには、例えば、併用する蛍光体の透明基材中での密度を高くすればよい。 In the Förster mechanism, excitation energy is directly transferred by resonance of electrons between two adjacent phosphors without going through light generation and absorption processes. Since energy transfer between phosphors by the Förster mechanism is performed without going through the process of light generation and absorption, the energy transfer efficiency can be almost 100% under optimum conditions, and energy loss is reduced. small. Therefore, it contributes to the improvement of the power generation efficiency of the solar cell module. In order to efficiently generate power while suppressing energy loss, for example, the density of the phosphor used in combination in the transparent substrate may be increased.
また、フェルスター機構によるエネルギー移動は、蛍光体のような発光材料だけでなく、外光によって励起されるが、光を発生せずに失活する非発光体においても生じる。したがって、蛍光体以外に、このような非発光体を光機能性材料として、透明基材中に分散させてもよい。 In addition, energy transfer by the Forster mechanism occurs not only in a light emitting material such as a phosphor but also in a non-light emitting body that is excited by external light but deactivates without generating light. Therefore, in addition to the phosphor, such a non-luminous material may be dispersed in the transparent substrate as an optical functional material.
太陽電池素子3は、受光面が集光板2の端面2cに対向して配置されている。太陽電池素子3としては、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、量子ドット太陽電池、有機系太陽電池などの公知の太陽電池を使用することができる。中でも、化合物半導体を用いた化合物系太陽電池や量子ドット太陽電池は、高効率な発電が可能であることから、太陽電池素子3として好適である。特に、蛍光体21の発光スペクトルのピーク波長(610nm)において高効率を示す化合物系太陽電池であるGaAs太陽電池が望ましい。他にも、化合物系太陽電池として、InGaP、InGaAs,AlGaAs、Cu(In,Ga)Se2、Cu(In,Ga)(Se,S)2、CuInS2、CdTe、CdS等を用いてもよい。また、量子ドット太陽電池として、Si、InGaAs等を用いてもよい。ただし、価格や用途に応じて、Si系や有機系など他の種類の太陽電池を用いることもできる。
In the
太陽電池素子3は、集光板2の端面2cに透明接着剤6により接合されている。透明接着剤6は、エチレン・酢酸ビニル共重合体(EVA)、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤、ポリイミド系接着剤等の熱硬化性接着剤が好適である。なお、透明接着剤6の屈折率は、集光板2と同程度の1.50となっている。尚、透明接着剤6の代わりに、液状又はゲル状の光学接触材料を用いてもよい。例えば、光学接触材料は、液浸レンズを有する光学顕微鏡に使用される光学オイル(イマージョンオイル:屈折率1.51)などの透明性を有し、且つ、集光板2と略同じ屈折率を有する材料であってもよい。
The
次に、集光板2及び太陽電池素子3の保持状態の一例を、図2及び図3を用いて説明する。
図2は、第1実施形態に係る太陽電池モジュール1を示す平面図である。図3は、図2のA−A線に沿った断面図である。
Next, an example of the holding | maintenance state of the light-condensing
FIG. 2 is a plan view showing the
図2に示すように、集光板2は平面視矩形の板部材である。集光板2のサイズは、一例として、長辺の長さが100cm程度、短辺の長さが90cm程度、厚みが4mm程度である。
As shown in FIG. 2, the
太陽電池素子3は、集光板2の4つの端面2cに設置されている。なお、太陽電池素子3の設置数はこれに限らず、太陽電池素子3を集光板2の1ないし3つの端面2cに設置してもよい。
The
太陽電池素子3を集光板2の一部の端面(1辺、2辺または3辺)に設置する場合には、太陽電池素子が設置されていない端面には反射層を設置することが好ましい。
When the
反射層としては、ESR(Enhanced Specular Reflector)反射フィルム(3M社製)等の誘電体多層膜からなる反射層を用いることができる。本材料を用いれば、可視光下において98%以上の高い反射率を実現できる。なお、反射層としては、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等の金属膜からなる反射層を用いてもよい。 As the reflective layer, a reflective layer made of a dielectric multilayer film such as an ESR (Enhanced Specular Reflector) reflective film (manufactured by 3M) can be used. If this material is used, a high reflectance of 98% or more can be realized under visible light. As the reflective layer, a reflective layer made of a metal film such as aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), or the like may be used.
フレーム4は、平面視矩形枠状である。フレーム4は、集光板2を保持するものである。フレーム4は、太陽電池素子3を覆って形成されている。フレーム4の肉厚は2mm程度である。フレーム4の形成材料は、Al等の金属である。この他にも、フレーム4の形成材料としては種々の材料を用いることができる。特に、高強度かつ軽量な材料を用いることが好ましい。
The
図2及び図3に示すように、位置規制部材5は、第1主面2aの法線方向から見て、集光板2とフレーム4とが重なる部分に設けられている。位置規制部材5は、集光板2とフレーム4との相対位置を規制するものである。具体的には、位置規制部材5は、第1主面2aに平行な方向と第1主面2aに垂直な方向における集光板2とフレーム4との相対位置を規制する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
集光板2には、貫通孔20hが設けられている。位置規制部材5の貫通部材としてネジを用いる。ネジ5は、フレーム4に固定されている。
The
ネジ5の形成材料は金属を用いる。この他にも、ネジ5の形成材料としては種々の材料を用いることができる。特に、高強度を得る観点からステンレス鋼(SUS)等の合金を用いることが好ましい。
A metal is used as a material for forming the
図2に示すように、フレーム4は、集光板2の各辺ごとに分割されている。フレーム4は、第1サブフレーム41と、第2サブフレーム42と、を有する。第1サブフレーム41は、集光板2の短辺に沿って配置されている。第1サブフレーム41は、互いに対向する2つの短辺にそれぞれ1つずつ、計2つ配置されている。第2サブフレーム42は、集光板2の長辺に沿って配置されている。第2サブフレーム42は、互いに対向する2つの長辺にそれぞれ1つずつ、計2つ配置されている。
As shown in FIG. 2, the
ネジ穴41hは、第1サブフレーム41の貫通孔20hに重なる部分に設けられている。第1サブフレーム41の端部は、ネジ等の固定部材43により第2サブフレーム42の端部に固定されている。
The
図3に示すように、フレーム4は、天板部4aと、底板部4bと、側壁部4cと、を備えている。ここでは、フレーム4の構成として、第1サブフレーム41が、天板板41aと、底板部41bと、側壁部41cと、を備えている図を挙げて説明する。なお、第2サブフレーム42の構成は、これと同様の構成を有する。
As shown in FIG. 3, the
天板部41aは、太陽電池素子3を覆って形成されている。天板部41aの一端部は側壁部41cに接続されている。天板部41aの他端部は集光板2の第1主面2aの端部まで延在している。底板部41bは、集光板2を挟んで天板部41aと対向して配置されている。底板部41bの一端部は側壁部41cに接続されている。底板部41bの他端部は集光板2の貫通孔20hを超える部分まで延在している。底板部41bの集光板2の長手方向の長さは、天板部41aの集光板2の長手方向の長さよりも長くなっている。ネジ穴41hは、底板部41bにおいて天板部41aよりも延びている部分に設けられている。
The
底板部41bにおいて、集光板2と反射板8との間にはスペーサー45が設けられている。スペーサー45の高さは、波長変換体7の厚みよりも大きい。スペーサー45と集光板2との間には反射膜46が設けられている。反射膜46は、ESRを用いることができる。
In the
フレーム4の内壁面4sと太陽電池素子3とが離間している。第1サブフレーム41の内壁面41sと太陽電池素子3の受光面とは反対側の面3sとの間には空間40が設けられている。空間40には空気層が介在している。
The
尚、フレーム4の構成については図3を用いて詳細に説明したが、これに限らない。図3で説明したフレーム4の構成は一例であり、この構成以外のフレームを用いた場合においても本発明を適用可能である。
In addition, although the structure of the flame |
図1に戻り、波長変換体7は、集光板2の第2主面2bの側に空気層9を介して配置されている。これにより、集光板2の屈折率と空気層9の屈折率との間の屈折率差が大きいため、集光板2を伝播する光が集光板2と空気層9との間の界面で全反射しやすくなり、光の損失を低減できる。例えば、集光板2の屈折率を1.5、空気層9の屈折率を1.0とすると、集光板2と空気層9との界面における臨界角は、Snellの法則から42°程度となる。当該界面への光の入射角が臨界角である42°よりも大きい間は臨界角条件を満たすため、光は当該界面で全反射する。
Returning to FIG. 1, the
尚、波長変換体7は、集光板2の第2主面2bに接して配置されていてもよい。但し、光の損失を低減する観点からは、波長変換体7は、集光板2の第2主面2bの側に空気層9を介して配置されていることが好ましい。
The
波長変換体7は、集光板2の第1主面2aに入射した光のうち蛍光体21によって吸収されなかった光を吸収し、蛍光体21によって吸収される光に変換して射出する。波長変換体7は、蛍光体21によって吸収されなかった光の少なくとも一部を、蛍光体21によって吸収されなかった光よりも短波長の光に変換する。波長変換体7によって吸収される光の波長域は、蛍光体21によって吸収される光の波長域よりも長波長である。波長変換体7は、集光板2の第1主面2aに入射した光のうち集光板2を透過した光の少なくとも一部を散乱する。
The
本実施形態に係る波長変換体7は、無機波長変換材料からなる複数の粒子70を含む。互いに隣り合う2つの粒子70の間には空隙71が形成されている。例えば、粒子70は、多光子励起蛍光体である。
The
波長変換体7の集光板2とは反対側には反射板8が配置されている。波長変換体7は、反射板8の集光板2の側の面に形成されている。
On the opposite side of the
反射板8は、ESRを用いることができる。本材料を用いれば、可視光下において98%以上の高い反射率を実現できる。なお、反射板8としては、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等の金属板を用いてもよい。また、反射板8としては、古川電工社製のマイクロ発泡PET(ポリエチレンテレフタレート)等の拡散反射性を有するものを用いてもよい。
The
以下、多光子励起蛍光体の発光原理について図4及び図5を用いて説明する。
図4は、多光子励起蛍光体の発光中心のエネルギーダイアグラムの一例を示す図である。
Hereinafter, the light emission principle of the multiphoton excitation phosphor will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a diagram showing an example of an energy diagram of the emission center of the multiphoton excitation phosphor.
多光子励起蛍光体(波長変換体)は、蛍光体21によって吸収されなかった光と相互作用する発光中心を有する。多光子励起蛍光体は、無機材料、有機材料、ポリマー等の固体材料又は封止された液体材料である。多光子励起蛍光体は、光を吸収又は発光するイオン又は分子(発光中心)を有する。
The multiphoton excitation phosphor (wavelength converter) has an emission center that interacts with light that has not been absorbed by the
図4に示すように、発光中心は、基底状態E0との間に、蛍光体21によって吸収されなかった光が有するエネルギー以下のエネルギーギャップを持つ第1の励起状態E1を有する。発光中心は、基底状態E0との間に、蛍光体21によって吸収されなかった光が有するエネルギーよりも高いエネルギーギャップを持つ第2の励起状態E2を有する。
As shown in FIG. 4, the emission center has a first excited state E <b> 1 having an energy gap equal to or less than the energy of the light that has not been absorbed by the
発光中心は、先ず光を一度吸収して基底状態E0から第1の励起状態E1に励起される。次に、発光中心は、光を再度吸収して第1の励起状態E1から第2の励起状態E2に励起される。そして、第2の励起状態E2に存在する発光中心は、第2の励起状態E2から基底状態E0に遷移すると共に、吸収した二つの光よりも短波長の光を放出する。
尚、図4においては、光の吸収回数が2回の場合について示したが、3回以上の場合であってもよい。
The light emission center first absorbs light once and is excited from the ground state E0 to the first excited state E1. Next, the emission center absorbs light again and is excited from the first excited state E1 to the second excited state E2. The emission center existing in the second excited state E2 transitions from the second excited state E2 to the ground state E0 and emits light having a shorter wavelength than the two absorbed lights.
Although FIG. 4 shows the case where the number of times of light absorption is two, it may be three or more.
第1の励起状態E1は、基底状態E0との間の電子遷移が禁制であってもよい。これにより、高量子収率で長波長光を短波長に変換(アップコンバージョン)することができる。その理由は以下の通りである。 Electronic transition between the first excited state E1 and the ground state E0 may be prohibited. Thereby, long wavelength light can be converted into a short wavelength (up-conversion) with a high quantum yield. The reason is as follows.
高量子収率でアップコンバージョンするには、発光中心が一つ目の光を吸収した後、二つ目の光を吸収するまで、第1の励起状態E1に止まっている必要がある。そのためには、発光中心が第1の励起状態E1から基底状態E0に遷移することを抑制する必要があるからである。従って、基底状態E0と第1の励起状態E1との間の電子遷移は禁制であることが望ましい。 In order to up-convert with a high quantum yield, the emission center needs to remain in the first excited state E1 until it absorbs the first light and then absorbs the second light. This is because it is necessary to suppress the transition of the emission center from the first excited state E1 to the ground state E0. Therefore, it is desirable that electronic transition between the ground state E0 and the first excited state E1 is forbidden.
基底状態E0と第1の励起状態E1との間の電子遷移は禁制であることの例としては、s−s遷移(s軌道同士の電子遷移)、s−d遷移(s軌道とd軌道間の電子遷移)、p−p遷移(p軌道同士の電子遷移)、p−f遷移(p軌道とf軌道間の電子遷移)、d−d遷移(d軌道同士の電子遷移)、f−f遷移(f軌道同士の電子遷移)が挙げられる。 Examples of the fact that electronic transition between the ground state E0 and the first excited state E1 is forbidden include ss transition (electron transition between s orbitals) and sd transition (between s and d orbitals). Electron transition), pp transition (electron transition between p orbitals), pf transition (electron transition between p and f orbitals), dd transition (electron transition between d orbitals), ff Transition (electron transition between f orbitals).
これらの中でも、d−d遷移、f−f遷移といった原子核付近に局在した軌道間の電子遷移であることが望ましい。その理由は、d軌道、f軌道は、s軌道、p軌道と比較して原子核付近に局在しており、結晶場による禁制の崩れが少ないため、第1の励起状態E1に長時間止まっていることが可能であるからである。また、特にf−f遷移であることが好ましい。その理由は、f−f遷移はd−d遷移よりも局在度がより高いからである。 Among these, electron transitions between orbitals localized near the nucleus such as dd transition and ff transition are desirable. The reason is that the d orbit and f orbital are localized in the vicinity of the nucleus compared to the s and p orbitals, and the forbidden collapse due to the crystal field is small, so that the d orbit remains in the first excited state E1 for a long time. Because it is possible. In particular, the ff transition is preferable. The reason is that the ff transition is more localized than the dd transition.
尚、多光子励起蛍光体の発光原理の詳細については、非特許文献1:「Chemical Reviews 2004,vol.104,No.1」に記載されている。 The details of the light emission principle of the multiphoton excitation phosphor are described in Non-Patent Document 1: “Chemical Reviews 2004, vol. 104, No. 1”.
発光中心は、開殻f電子を有する元素を含んでいてもよい。開殻f電子を有する元素は、例えばEr(エルビウム)、Tm(ツリウム)、又はHo(ホルミウム)等の希土類元素である。その理由は、Er3+(エルビウムイオン)、Tm3+(ツリウムイオン)、又はHo3+(ホルミウムイオン)等の開殻f軌道を持つイオンはf−f遷移による励起が可能であるからである。 The emission center may contain an element having open shell f electrons. The element having open-shell f electrons is a rare earth element such as Er (erbium), Tm (thulium), or Ho (holmium). The reason is that ions having an open shell f orbital such as Er 3+ (erbium ion), Tm 3+ (thulium ion), or Ho 3+ (holmium ion) can be excited by the ff transition.
図5は、多光子励起蛍光体のエネルギーダイアグラムの一例を示す図である。
図5の左段はEr3+単独付活の場合のエネルギーダイアグラムであり、図5の右段はYb3+,Er3+共付活の場合のエネルギーダイアグラムである。図5において、縦軸は波数[104cm−1]である。また、図5において、4S3/2、4l9/2、4l15/2等の記号は、それぞれのエネルギー準位における電子配置を表す記号である。全軌道角運動量をL、全スピン角運動量をS、全角運動量をJとしたときに、「2S+1LJ」と表される。
FIG. 5 is a diagram showing an example of an energy diagram of the multiphoton excitation phosphor.
The left part of FIG. 5 is an energy diagram in the case of Er 3+ single activation, and the right part of FIG. 5 is the energy diagram in the case of Yb 3+ and Er 3+ co-activation. In FIG. 5, the vertical axis represents the wave number [10 4 cm −1 ]. In FIG. 5, symbols such as 4 S 3/2 , 4 l 9/2 , and 4 l 15/2 are symbols representing the electron configuration at each energy level. When the total orbital angular momentum is L, the total spin angular momentum is S, and the total angular momentum is J, it is expressed as “ 2S + 1 L J ”.
図5に示すように、f軌道は、s軌道、p軌道及びd軌道よりも原子核付近に局在しており、結晶場による禁制の崩れが少ないため、第1の励起状態E1に長時間止まっていることが可能である。従って、基底状態E0と第1の励起状態E1との間の電子遷移としては、f−f遷移が最適である。 As shown in FIG. 5, the f orbital is localized near the nucleus more than the s orbital, p orbital, and d orbital, and the forbidden collapse caused by the crystal field is less, so it stays in the first excited state E1 for a long time. It is possible that Therefore, the ff transition is optimal as the electronic transition between the ground state E0 and the first excited state E1.
多光子励起蛍光体は、増感剤を含んでいてもよい。増感剤は、例えばYb(イッテルビウム)である。多光子励起蛍光体がYb3+(イッテルビウムイオン)を有する場合、先ずYb3+を光で励起した後、Yb3+から発光中心(例えば、Er3+、Tm3+、又はHo3+)にエネルギー移動をしてもよい。これにより、増感剤としてのYb3+の濃度と発光中心の濃度とをそれぞれ独立して最適化できるため、より量子収率が高い多光子励起蛍光体を作製することができる。 The multiphoton excitation phosphor may contain a sensitizer. The sensitizer is, for example, Yb (ytterbium). When the multiphoton excitation phosphor has Yb 3+ (ytterbium ion), first Yb 3+ is excited with light, and then energy is transferred from Yb 3+ to the emission center (for example, Er 3+ , Tm 3+ , or Ho 3+ ). Also good. Thereby, since the density | concentration of Yb3 + as a sensitizer and the density | concentration of a luminescent center can each be optimized independently, the multiphoton excitation fluorescent substance with a higher quantum yield is producible.
特に、Yb3+の濃度を発光中心の濃度よりも高くすることで、Yb3+で吸収した光をYb3+よりも濃度が低い発光中心に集めることができる。そのため、第1の励起状態E1から第2の励起状態E2への励起を生じやすくすることができ、その結果、量子収率を向上させることができる。 Particularly, is made higher than the concentration of luminescence center concentration of Yb 3+, can collect light absorbed by the Yb 3+ concentration is low emission center than Yb 3+. Therefore, excitation from the first excited state E1 to the second excited state E2 can be easily generated, and as a result, the quantum yield can be improved.
例えば、多光子励起蛍光体としては、表1に示す材料が用いられるが、これらに限られるものではない。 For example, as the multiphoton excitation phosphor, materials shown in Table 1 are used, but are not limited thereto.
尚、表1において、材料の欄の左側は母体結晶であり、材料の欄の右側は付活元素である。励起強度[mW](励起密度[W/cm2])、λemi[nm](発光スペクトルのピーク波長)、η[%](発光フォトン数/吸収フォトン数)のそれぞれは、波長980nmのレーザーを用いて多光子励起蛍光体の材料を励起したときの値である。 In Table 1, the left side of the column of material is a host crystal, and the right side of the column of material is an activating element. Excitation intensity [mW] (excitation density [W / cm 2 ]), λemi [nm] (peak wavelength of emission spectrum), and η [%] (number of emitted photons / number of absorbed photons) This is a value when the material of the multiphoton excitation phosphor is excited by use.
また、多光子励起蛍光体は、表1に示した無機材料でなくても、Er3+、Tm3+、又はHo3+を有する金属錯体を含むポリマーであったり、非特許文献2:「Chemical Physics letters 2011,vol.516,56」に示すようなイオン性流体を封止した層であったりしてもよい。 In addition, the multiphoton excitation phosphor may be a polymer containing a metal complex having Er 3+ , Tm 3+ , or Ho 3+ , even if it is not the inorganic material shown in Table 1, Non-patent Document 2: “Chemical Physics letters 2011, vol. 516, 56 "may be a layer sealed with an ionic fluid.
以下、図6〜図23を用いて、本実施形態に係る太陽電池モジュール1の作用を、比較例に係る太陽電池モジュール(比較例1、比較例2及び比較例3)と比較しつつ説明する。
Hereinafter, the effect | action of the
先ず、本実施形態と比較例1とを対比して、本実施形態に係る太陽電池モジュール1の作用を説明する。
First, the operation of the
図6は、比較例1に係る太陽電池モジュール2001の作用を説明するための図である。
図6に示すように、比較例1に係る太陽電池モジュール2001は、集光板2と、太陽電池素子3と、を備えている。太陽電池モジュール2001は、波長変換体7及び反射板8を備えていない。
FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the
As shown in FIG. 6, the
図7は、比較例1に係る太陽電池モジュール2001において太陽光スペクトルのうち集光板2が吸収する波長域を説明するための図である。図7において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は強度[W/m2/nm]である。
FIG. 7 is a diagram for explaining a wavelength range absorbed by the
図7に示すように、太陽光のスペクトルSp(エアマス1.5)の大部分は、300nm〜1800nmの範囲の波長域に分布している。蛍光体21の吸収スペクトルSp1は、300nm〜600nmの範囲の波長域に分布している。この場合、蛍光体21が吸収できる最大波長(600nm)よりも長波長の太陽光は発電に利用することができない。
As shown in FIG. 7, most of the sunlight spectrum Sp (air mass 1.5) is distributed in a wavelength range of 300 nm to 1800 nm. The absorption spectrum Sp1 of the
図6及び図7に示すように、比較例1に係る太陽電池モジュール2001においては、蛍光体21によって、太陽光スペクトルのうち300nm〜600nmの波長域の光L1を吸収することができるが、600nmを超える波長域の光L2を吸収することはできない。そのため、太陽光スペクトルのうち600nmを超える波長域の光L2は、集光板2を透過し、発電に寄与しない。よって、高い発電効率を得ることはできない。
As shown in FIG.6 and FIG.7, in the
また、蛍光体21は、太陽光を吸収し、太陽電池素子3の光‐電力変換効率(光を電力に変換する効率、以下単に「変換効率」と称することがある。)が高い波長で発光する。そのため、蛍光体21が吸収できる最大波長は、太陽電池素子3の変換効率の最大波長よりも小さくする必要がある。
The
図8は、太陽電池素子3の変換効率の波長依存性を示す図である。図8において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は変換効率[%]である。図8において、GaAs太陽電池のバンドギャップに相当する波長(870nm)を波長λg1、c-Si太陽電池のバンドギャップに相当する波長(1120nm)を波長λg2とする。
FIG. 8 is a diagram showing the wavelength dependence of the conversion efficiency of the
図8に示すように、結晶シリコン(c-Si)太陽電池、GaAs太陽電池、CuInGaSe系混晶太陽電池(CIGS太陽電池)、InGaP太陽電池のいずれも、変換効率は各太陽電池素子の材料のバンドギャップで決まる波長で変換効率が最大となる。例えば、c-Si太陽電池の場合、バンドギャップに相当する波長λg(1120nm)よりも少し短波長側で変換効率が最大となる。GaAs太陽電池の場合、バンドギャップに相当する波長λg1(870nm)付近で変換効率が最大となる。そして、それよりも長波長側は、急峻に低下し、それよりも短波長側は変換効率が緩慢に低下する。 As shown in FIG. 8, the conversion efficiency of each of the crystalline silicon (c-Si) solar cell, GaAs solar cell, CuInGaSe-based mixed crystal solar cell (CIGS solar cell), and InGaP solar cell is the material of each solar cell element. Conversion efficiency is maximized at a wavelength determined by the band gap. For example, in the case of a c-Si solar cell, the conversion efficiency becomes maximum at a wavelength slightly shorter than the wavelength λg (1120 nm) corresponding to the band gap. In the case of a GaAs solar cell, the conversion efficiency becomes maximum near the wavelength λg1 (870 nm) corresponding to the band gap. Then, the longer wavelength side is steeply lowered, and the conversion efficiency is slowly lowered on the shorter wavelength side.
図9は、比較例1に係る太陽電池モジュールにおいて太陽光スペクトルのうち蛍光体21が吸収できる最大波長と太陽電池素子3のバンドギャップに相当する波長との関係を示す図である。図9において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は変換効率[%]である。
FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the maximum wavelength that can be absorbed by the
図9に示すように、例えば、蛍光体21が吸収できる最大波長(600nm)を波長λm、GaAs太陽電池のバンドギャップに相当する波長(870nm)を波長λg1、c-Si太陽電池のバンドギャップに相当する波長(1120nm)を波長λg2とする。この場合、波長λmは、波長λg1及びλg2よりも短波長としなければならない。波長λg1及びλg2は、太陽電池の材料で決まる値である。そのため、波長λmを長波長化するには限界がある。
As shown in FIG. 9, for example, the maximum wavelength (600 nm) that can be absorbed by the
図10は、本実施形態に係る太陽電池モジュール1の作用を説明するための図である。
図10に示すように、本実施形態に係る太陽電池モジュール1は、集光板2と、太陽電池素子3と、波長変換体7と、反射板8と、を備えている。波長変換体7は、集光板2の第2主面2bの側に空気層9を介して配置されている。波長変換体7は、反射板8の集光板2の側の面に形成されている。
FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the
As shown in FIG. 10, the
図11は、本実施形態に係る太陽電池モジュール1において太陽光スペクトルのうち集光板2が吸収する波長域と波長変換体7が変換する波長域とを説明するための図である。図11において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は強度[W/m2/nm]である。
FIG. 11 is a diagram for explaining the wavelength range absorbed by the
図11に示すように、太陽光のスペクトルSp(エアマス1.5)の大部分は、300nm〜1800nmの範囲の波長域に分布している。蛍光体21の吸収スペクトルSp1は、300nm〜600nmの範囲の波長域に分布している。この場合、蛍光体21が吸収できる最大波長(600nm)よりも長波長の太陽光は発電に利用することができない。
As shown in FIG. 11, most of the sunlight spectrum Sp (air mass 1.5) is distributed in a wavelength range of 300 nm to 1800 nm. The absorption spectrum Sp1 of the
図10及び図11に示すように、蛍光体21によって、太陽光スペクトルのうち300nm〜600nmの波長域の光L1を吸収することができるが、600nmを超える波長域の光L2を吸収することはできない。そのため、太陽光スペクトルのうち600nmを超える波長域の光L2は、集光板2を透過する。この波長域の光L2は、比較例1において全く利用されていなかったものである。
As shown in FIGS. 10 and 11, the
しかし、本実施形態に係る太陽電池モジュール1においては、波長変換体7の吸収スペクトルSp2が600nm〜1800nmの範囲の波長域の少なくとも一部に存在している。そのため、波長変換体7によって、集光板2を透過した光L2の一部が吸収され、蛍光体21によって吸収可能な光L3に変換して射出される。その結果、波長変換体7によって変換された光L3が蛍光体21によって吸収されることにより、比較例1において全く利用されていなかった光が発電に寄与できるようになる。
However, in the
本実施形態においては、比較例1に係る太陽電池モジュール2001に、波長変換体7及び反射板8を付加するだけで、その他の構成を大きく変更することなく、発電量を増加させることができる。
In the present embodiment, the amount of power generation can be increased by simply adding the
尚、本実施形態においては、波長変換体7が発光する光L3の波長域と、蛍光体21が吸収する波長域とがなるべく重なっていることが好ましい。例えば、蛍光体21の吸収スペクトルのピーク波長と、波長変換体7の発光スペクトルのピーク波長とが概ね一致するようにする。ここで、「概ね一致する」とは次のように定義される。
In the present embodiment, it is preferable that the wavelength range of the light L3 emitted from the
「概ね一致する」とは、波長変換体7の発光スペクトルのピーク波長が、以下に示す「第一の波長範囲」に含まれていることを意味する。
「第一の波長範囲」は「波長300nm〜1000nmの範囲で、蛍光体21の吸収スペクトルのピーク波長における吸光度(又は吸光度)を1としたとき、蛍光体21の吸光度(又は吸収率)が0.1以上である波長域」と定義する。
The term “substantially matches” means that the peak wavelength of the emission spectrum of the
The “first wavelength range” is “the absorbance (or absorbance) of the
図12は、蛍光体の吸収スペクトルを説明するための図である。図12において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は吸光度[a.u.]である。また、蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長をλpとする。また、蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長λpにおける吸光度を1としたとき、吸光度が0.5になる波長を0.5λ1,0.5λ2(ただし、0.5λ1<λp<0.5λ2)、吸光度が0.1になる波長を0.1λ1,0.1λ2(ただし、0.1λ1<λp<0.1λ2)とする。 FIG. 12 is a diagram for explaining the absorption spectrum of the phosphor. In FIG. 12, the horizontal axis represents wavelength [nm] and the vertical axis represents absorbance [a.u.]. Further, the peak wavelength of the absorption spectrum of the phosphor is λp. Further, assuming that the absorbance at the peak wavelength λp of the absorption spectrum of the phosphor is 1, the wavelength at which the absorbance becomes 0.5 is 0.5λ1, 0.5λ2 (where 0.5λ1 <λp <0.5λ2), and the absorbance. Is a wavelength at which 0.1 becomes 0.1λ1, 0.1λ2 (where 0.1λ1 <λp <0.1λ2).
例えば、図12の場合、「第一の波長範囲」は、0.1λ1≦λ≦0.1λ2である。ここで、蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長λpは、波長300nm〜1000nmの範囲で、蛍光体21の吸光度が最も大きくなる波長である。「第一の波長範囲」は蛍光体21の吸収帯域であるので、波長変換体7の発光を吸収することが可能である。
For example, in the case of FIG. 12, the “first wavelength range” is 0.1λ1 ≦ λ ≦ 0.1λ2. Here, the peak wavelength λp of the absorption spectrum of the phosphor is a wavelength at which the absorbance of the
また、波長変換体7の発光スペクトルのピーク波長が、以下に示す「第二の波長範囲」に含まれていることがさらに好ましい。
「第二の波長範囲」は「波長300nm〜1000nmの範囲で、蛍光体21の吸収スペクトルのピーク波長における吸光度(又は吸光度)を1としたとき、蛍光体21の吸光度(又は吸収率)が0.5以上である波長域」と定義する。
Moreover, it is more preferable that the peak wavelength of the emission spectrum of the
The “second wavelength range” is “in the wavelength range of 300 nm to 1000 nm, where the absorbance (or absorbance) at the peak wavelength of the absorption spectrum of the
例えば、図12の場合、「第二の波長範囲」は、0.5λ1≦λ≦0.5λ2である。「第二の波長範囲」は蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長λpの半値全幅の範囲であり、蛍光体21の吸収ピーク波長λpの近傍であるため、波長変換体7の発光をより効率よく十分に吸収することが可能である。
For example, in the case of FIG. 12, the “second wavelength range” is 0.5λ1 ≦ λ ≦ 0.5λ2. The “second wavelength range” is the range of the full width at half maximum of the peak wavelength λp of the absorption spectrum of the phosphor, and is in the vicinity of the absorption peak wavelength λp of the
また、波長変換体7は、無機波長変換材料からなっていてもよいし、有機波長変換材料からなっていてもよいが、無機波長変換材料からなる複数の粒子の積層膜であることが好ましい。さらに好ましくは、互いに隣り合う2つの粒子の間に空隙(空気又は低屈折媒質)が形成されていることが望ましい。
以下、その理由について図13〜図16を用いて説明する。
Moreover, although the
Hereinafter, the reason will be described with reference to FIGS.
図13は、波長変換体207が有機波長変換材料からなる層である場合における全反射を説明するための図である。
図14は、波長変換体7が無機波長変換材料からなる複数の粒子70を含む場合における表面散乱を説明するための図である。
FIG. 13 is a diagram for explaining total reflection when the
FIG. 14 is a diagram for explaining the surface scattering when the
図13に示すように、太陽電池モジュール101は、波長変換体207が有機波長変換材料からなる層である。太陽電池モジュール101の場合、波長変換体207からの発光光のうち波長変換体207と空気層9との屈折率差で決まる臨界角以上の発光成分は、波長変換体207と空気層9との界面において全反射する。そのため、波長変換体207からの発光光を十分に上方に取り出すことができないおそれがある。
As shown in FIG. 13, the
図14に示すように、太陽電池モジュール1は、波長変換体7が無機波長変換材料からなる複数の粒子70を含む。互いに隣り合う2つの粒子70の間には空隙71が形成されている。一般に、無機波長変換体の屈折率は1.8以上の高屈折率である。そのため、太陽電池モジュール1の場合、粒子70から等方発光した光が粒子70と空隙71との界面で屈折、反射し、その結果光散乱性を有する。そのため、粒子70から等方発光した光は周辺の粒子70と空隙71で構成される波長変換体7を進むうちに、散乱され、上方に取り出され易くなる。
As shown in FIG. 14, the
図15は、波長変換体207が有機波長変換材料からなる層である場合における光透過を説明するための図である。
図16は、波長変換体7が無機波長変換材料からなる複数の粒子70を含む場合における表面反射を説明するための図である。
FIG. 15 is a diagram for explaining light transmission when the
FIG. 16 is a diagram for explaining surface reflection when the
図15に示すように、太陽電池モジュール101の場合、波長変換体207は太陽光の波長域(300nm〜600nm)の成分(蛍光体21によって吸収される光)を透過する。そのため、波長変換体207に入射した光は、反射板8の表面で反射する。
As shown in FIG. 15, in the case of the
これに対し、太陽電池モジュール1の場合、図16に示すように、波長変換体7には粒子70と空隙71との界面が複数存在する。そのため、蛍光体21によって吸収される光が集光板2を透過しても、集光板2を透過した光の大部分は、波長変換体7に深く入射することができず、波長変換体7の表面近傍で反射する。従って、反射板8の反射率が低くても、反射板8が反射性材料でなくても、反射板8が設けられていなくても、高い反射率を実現することができる。
On the other hand, in the case of the
次に、本実施形態と比較例2及び比較例3を対比して、本実施形態に係る太陽電池モジュール1の作用を説明する。
Next, the operation of the
図17は、本実施形態に係る太陽電池モジュール1において集光板2における光透過を説明するための図である。
FIG. 17 is a diagram for explaining light transmission through the
図17に示すように、太陽光スペクトルのうち600nmを超える波長域の光L10(集光板2に含まれる蛍光体によって吸収されない波長域の光)は、集光板2を透過する。光L10に対する集光板2の透過率は、比較例2及び比較例3に係る透過率よりも高い。以下、その理由について説明する。
As illustrated in FIG. 17, light L <b> 10 having a wavelength region exceeding 600 nm in the sunlight spectrum (light having a wavelength region that is not absorbed by the phosphor included in the light collector 2) passes through the
本実施形態に係る太陽電池モジュール1においては、光L10に対して集光板2はほとんど吸収帯域を有さない。また、光L10が集光板2を透過する際に透過する界面は第1主面2a及び第2主面2bの二つの界面のみである。集光板2の屈折率は1.5程度であるため、空気との屈折率差により決まる界面での表面反射率は、比較例2及び比較例3に係る表面反射率よりも小さい。
In the
図18は、比較例2に係る太陽電池モジュール3001において単結晶型太陽電池3003における光透過を説明するための図である。
FIG. 18 is a diagram for explaining light transmission in the single crystal
図18に示すように、比較例2に係る太陽電池モジュール3001は、表面電極3002と、単結晶型太陽電池3003と、透明電極3004と、波長変換体3005と、を備えている。
As illustrated in FIG. 18, the
表面電極3002は、光反射性を有する電極である。表面電極3002は、単結晶型太陽電池3003の光入射面にメッシュ状に配置されている。単結晶型太陽電池3003は、例えば、単結晶シリコン太陽電池である。透明電極3004は、例えばITO(Indium Tin Oxide、インジウム錫酸化物)である。透明電極3004は、単結晶型太陽電池3003の光入射面とは反対側の面の全体に配置されている。波長変換体3005は、透明電極3004の単結晶型太陽電池3003とは反対側の面に形成されている。
The
比較例2に係る太陽電池モジュール3001においては、光L10に対する単結晶型太陽電池3003の透過率は、表面電極3002の開口率に依存する。また、多層構造(表面電極3002、単結晶型太陽電池3003及び透明電極3004の積層構造)であるため、光L10が単結晶型太陽電池3003を透過する際に透過する界面が多い。また、シリコン(Si)等の太陽電池に用いられる半導体材料の屈折率は、集光板2の屈折率と比較してはるかに高い。例えば、シリコンの屈折率は約3.8@630nmである。そのため、光L10に対する単結晶型太陽電池3003の透過率は、光L10に対する集光板2の透過率よりも小さいと考えられる。
In the
図19は、比較例3に係る太陽電池モジュール4001において多結晶型太陽電池4003における光透過を説明するための図である。
FIG. 19 is a diagram for explaining light transmission in the polycrystalline
図19に示すように、比較例3に係る太陽電池モジュール4001は、単結晶型太陽電池3003に替えて多結晶型太陽電池4003を備えている点で、比較例2に係る太陽電池モジュール3001と異なる。その他の構成は、比較例2と同様であるため、比較例2と同一の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 19, a
多結晶型太陽電池4003は、例えば、多結晶シリコン太陽電池である。多結晶型太陽電池4003は、多結晶間の界面4003aが多い。
The polycrystalline
比較例3に係る太陽電池モジュール4001においては、光L10に対する多結晶型太陽電池4003の透過率は、表面電極3002の開口率に依存する。また、多層構造であるため、光L10が多結晶型太陽電池4003を透過する際に透過する界面が多い。また、シリコン(Si)等の太陽電池に用いられる半導体材料の屈折率は、集光板2の屈折率と比較してはるかに高い。さらに、多結晶型太陽電池4003であるため、多結晶間の界面4003aが多い。
そのため、光L10に対する多結晶型太陽電池4003の透過率は、光L10に対する集光板2の透過率よりも小さいと考えられる。
In the
Therefore, it is considered that the transmittance of the polycrystalline
また、比較例2及び比較例3に係る太陽電池モジュール3001,4001のそれぞれにおいては、太陽電池の裏面電極を透明電極にする必要があるが、太陽電池用として求められる高移動度を有し且つ低いシート抵抗及び高い赤外透明性を兼ね備えた透明電極は現時点で得られていない。例えば、代表的な透明導電膜であるITOは、1000nmよりも長波長領域では透過率が急激に低下する。
Moreover, in each of the
また、太陽電池用としては大面積化を図る必要があるが、太陽電池の裏面電極として透明電極を用いることは、太陽電池の裏面電極として金属材料を用いる構成と比較して、大幅なコストアップとなる。例えば、ITOはインジウム(In)が希少元素であり、供給不安定の懸念がある。 Also, for solar cells, it is necessary to increase the area, but using a transparent electrode as the back electrode of the solar cell significantly increases the cost compared to a configuration using a metal material as the back electrode of the solar cell. It becomes. For example, indium (In) is a rare element in ITO, and there is a concern about unstable supply.
また、ITOは、低抵抗率を有する透明導電膜として一般的である。ITOの場合、伝導率を増加させるためにキャリア濃度が高く製造されている。物質には、物質固有のプラズマ周波数があり、それよりもエネルギーの低い光は反射される。プラズマ周波数はキャリア濃度と相関がある。ITOの場合、プラズマ周波数は近赤外領域に存在し、それよりもエネルギーの低い光(長波長光)は反射される。従って、ITOのように伝導率の高い(キャリア濃度の高い)材料は、プラズマ反射の影響により近赤外〜赤外波長域の透過率が低いのが一般的である。 ITO is generally used as a transparent conductive film having a low resistivity. In the case of ITO, the carrier concentration is high in order to increase the conductivity. A substance has a plasma frequency inherent to the substance, and light with lower energy is reflected. The plasma frequency is correlated with the carrier concentration. In the case of ITO, the plasma frequency exists in the near-infrared region, and light having lower energy (long wavelength light) is reflected. Therefore, a material having a high conductivity (high carrier concentration) such as ITO generally has a low transmittance in the near-infrared to infrared wavelength region due to the influence of plasma reflection.
以下、参考のために、一般的なITO(ITO膜)の透過スペクトル、アクリル(PMMA)の透過スペクトル及び本実施形態に係る集光板2の透過スペクトルのそれぞれについて、図20〜図22を用いて説明する。
Hereinafter, for reference, a transmission spectrum of general ITO (ITO film), a transmission spectrum of acrylic (PMMA), and a transmission spectrum of the
図20は、一般的なITO(ITO膜)の透過スペクトル示す図である。
図21は、アクリル(PMMA)の透過スペクトルを示す図である。
図22は、本実施形態に係る集光板2の透過スペクトルを示す図である。
図20〜図22において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は透過率[%]である。
FIG. 20 is a diagram showing a transmission spectrum of general ITO (ITO film).
FIG. 21 is a diagram showing a transmission spectrum of acrylic (PMMA).
FIG. 22 is a diagram showing a transmission spectrum of the
20 to 22, the horizontal axis represents wavelength [nm], and the vertical axis represents transmittance [%].
図20に示すように、ITOの透過スペクトルは、波長600nm付近で透過率が最大となる。そして、それよりも長波長側及び短波長側においては、透過率が低下する。特に、1000nmよりも長波長領域では透過率が急激に低下していることが分かる。 As shown in FIG. 20, in the transmission spectrum of ITO, the transmittance is maximized in the vicinity of a wavelength of 600 nm. And the transmittance | permeability falls in the long wavelength side and short wavelength side rather than it. In particular, it can be seen that the transmittance sharply decreases in the wavelength region longer than 1000 nm.
図21では、本実施形態に係る集光板2の透明基材20として厚みを変えたPMMAの透過スペクトルを比較例としての無機ガラスの透過スペクトルとともに示している。PMMAの厚みは、2mm、3mm、6mmとした。
In FIG. 21, the transmission spectrum of PMMA which changed thickness as the
図21に示すように、PMMAの透過スペクトルは、厚み2mm、3mm、6mmのそれぞれにおいて、450nm〜1100nmの範囲の波長域で透過率が最大となる。この範囲の波長域においては、PMMAの透過率は、厚み2mm、3mm、6mmのそれぞれにおいて、無機ガラスの透過率よりも高い。 As shown in FIG. 21, the transmission spectrum of PMMA has the maximum transmittance in the wavelength range of 450 nm to 1100 nm in thicknesses of 2 mm, 3 mm, and 6 mm, respectively. In the wavelength range of this range, the transmittance of PMMA is higher than the transmittance of inorganic glass in each of the thicknesses of 2 mm, 3 mm, and 6 mm.
図22に示すように、本実施形態に係る集光板2の透過スペクトルは、650nm以上の長波長域において透過率が最大となる。
As shown in FIG. 22, the transmission spectrum of the
次に、比較例2及び比較例3に係る構成(シリコン太陽電池の裏面電極を透明電極とした構成)が本実施形態に係る構成と比較して劣る点について、必要に応じて図23を参照しつつ説明する。 Next, with respect to the point that the configurations according to Comparative Example 2 and Comparative Example 3 (the configuration in which the back electrode of the silicon solar cell is a transparent electrode) are inferior to the configuration according to this embodiment, refer to FIG. 23 as necessary. However, it will be explained.
シリコンは吸収係数が小さいため、シリコンに太陽光を十分に吸収させるためには、シリコンの厚みを厚くする必要がある。しかし、シリコンの厚みを厚くするとコストアップになる。そのため、裏面電極として反射性の高いAgを用いたり、シリコン表面にテクスチャー構造を設けて光閉じ込め効果を大きくしたりして、シリコンの厚みをできるだけ薄くし、コストアップを最小限に抑えるように工夫されている。しかし、裏面電極を透明にした場合には、裏面電極からの反射が得られない。そのため、シリコンに太陽光を十分に吸収させるためには、裏面電極からの反射が得られる従来よりもシリコンの厚みを厚くする必要が生じるため、コストアップになるとともに、重量が重くなってしまう。 Since silicon has a small absorption coefficient, it is necessary to increase the thickness of silicon in order for silicon to sufficiently absorb sunlight. However, increasing the thickness of silicon increases the cost. Therefore, use highly reflective Ag as the back electrode, or provide a texture structure on the silicon surface to increase the light confinement effect, so that the silicon thickness is as thin as possible and the cost increase is minimized. Has been. However, when the back electrode is made transparent, reflection from the back electrode cannot be obtained. For this reason, in order for silicon to sufficiently absorb sunlight, it is necessary to increase the thickness of silicon as compared with the conventional case in which reflection from the back electrode is obtained, which increases the cost and weight.
また、シリコン太陽電池は、表面電極、n型シリコン層(以下n層と称する。)、i型シリコン層(以下i層と称する。)、p型シリコン層(以下p層と称する。)、裏面電極の積層構造から成る。シリコン太陽電池は、積層方向に対して非対称である。
これにより、光を表面側(表面電極側)から照射する場合と、光を裏面側(裏面電極側)から照射する場合とで、光電力変換効率が異なる場合がある。
そのため、シリコン太陽電池においては、光を表面側(表面電極側)から照射する場合と比較して、光を裏面側(裏面電極側)から照射する場合の光電力変換効率が低下する場合がある。その要因は、例えば、次のような理由による。
In addition, a silicon solar cell includes a front electrode, an n-type silicon layer (hereinafter referred to as an n layer), an i-type silicon layer (hereinafter referred to as an i layer), a p-type silicon layer (hereinafter referred to as a p layer), and a back surface. It consists of a laminated structure of electrodes. A silicon solar cell is asymmetric with respect to the stacking direction.
Thereby, optical power conversion efficiency may differ by the case where light is irradiated from the surface side (surface electrode side), and the case where light is irradiated from the back surface side (back surface electrode side).
Therefore, in a silicon solar cell, compared with the case where light is irradiated from the front surface side (front electrode side), the optical power conversion efficiency when light is irradiated from the back surface side (back electrode side) may be reduced. . The reason is, for example, for the following reason.
一般に、シリコン太陽電池は、p型基板上にn層を形成して作製される。この理由は、少数キャリアの拡散長が正孔よりも電子の方が大きいため、n層をできるだけ薄くしたいからである。例えば、図23に示すようなp型シリコン基板上にn層を形成したシリコン太陽電池を考える。 In general, a silicon solar cell is manufactured by forming an n layer on a p-type substrate. This is because the diffusion length of minority carriers is larger for electrons than holes, so that the n layer is desired to be as thin as possible. For example, consider a silicon solar cell in which an n layer is formed on a p-type silicon substrate as shown in FIG.
図23は、比較例2に係る太陽電池モジュール3001における単結晶シリコン太陽電池3003の断面図である。
FIG. 23 is a cross-sectional view of a single crystal silicon
図23に示すように、単結晶シリコン太陽電池3003は、光入射面から順にn層3003n、i層3003i及びp層3003pを備えている。
As shown in FIG. 23, the single crystal silicon
単結晶シリコン太陽電池3003に光L10が入射した場合、n層3003n、i層3003i及びp層3003pの全ての層でキャリア(電子−正孔)が発生する。発生したキャリアを電流として取り出すには、キャリアが電極まで運ばれなくてはならない。キャリアが電極に到達する前に再結合してしまうと、電流として取り出すことができない。
When the light L10 is incident on the single crystal silicon
i層3003iで発生したキャリアは内部電界により電荷分解され、効率良く電流として取り出すことができる。しかし、n層3003nやp層3003pで発生したキャリアは、電界が無いため、キャリアの拡散により輸送されて電流として取出される。多数キャリア(p層であれば正孔、n層であれば電子)の場合は、電極まで到達するまでに再結合したとしても電流低下に大きな影響を及ぼさないが、少数キャリア(p層であれば電子、n層であれば正孔)の場合は、電極まで到達するまでに再結合すると電流低下に大きな影響を与える。
Carriers generated in the
従って、i層3003iから少数キャリアの拡散長以下の距離にあるキャリアしかi層3003iに輸送されない。つまり、i層3003iからキャリアの拡散長よりも離れた場所で発生したキャリアは、再結合のため、電流として十分に取り出すことができない。単結晶シリコン太陽電池3003の場合は、p層3003pの下部(例えば図23中のキャリア発生領域CA2)がそれに該当する。
Accordingly, only carriers located at a distance shorter than the minority carrier diffusion length from the
前述した通り、一般的な単結晶シリコン太陽電池3003は、太陽光入射面より、表面電極3002、n層3003n、i層3003i、p層3003p、裏面電極の積層構造を構成し、その中でp層3003pの厚さが相対的に最も厚い。図23に示すように、i層3003iは太陽光入射面から浅い領域に存在する。
As described above, a general single crystal silicon
例えば、光入射面から光L10が入射した場合、光入射面から浅い領域を中心に、つまりi層3003i近傍(例えば図23中のキャリア発生領域CA1)を中心に多くのキャリアが発生する。前述の通り、i層3003i近傍に発生したキャリアは効率よく電流として取り出すことができる。
一方、波長変換体3005から波長変換された光が裏面電極3004側から単結晶シリコン太陽電池3003に入射する場合、光入射面から浅い領域を中心に、つまり、p層3003pの下部(例えば図23中のキャリア発生領域CA2)を中心に多くのキャリアが発生する。前述の通り、p層3003pの下部に発生したキャリアは、その「キャリアが発生した位置とi層3003iまでの距離」が「キャリアの拡散長」よりも大きい場合、電流として取り出すことはできない。
For example, when the light L10 is incident from the light incident surface, many carriers are generated around a shallow region from the light incident surface, that is, around the
On the other hand, when the wavelength-converted light from the
キャリアが発生する位置(入射面からの深さ)は、入射光の波長に依存し、一義的に決められることができないが、単結晶シリコン太陽電池3003の積層構造の非対称性に由来して、表面電極3002側から入射した場合と裏面電極3004側から入射した場合とで効率の差異が生じる事が少なくとも推定できる。
The position at which carriers are generated (depth from the incident surface) depends on the wavelength of incident light and cannot be uniquely determined, but is derived from the asymmetry of the stacked structure of the single crystal silicon
これに対し、本実施形態における太陽電池モジュール1によれば、集光板2のいずれの面から光が入射しても蛍光体21がその入射光を吸収する。入射光を吸収した蛍光体21は発光し、その発光は集光板中を導光した後で、必ず太陽電池素子3の表面に入射する。そのため、本実施形態における太陽電池モジュール1によれば、集光板2のいずれの面から光が入射してもその光電力変換効率は変わらない。
つまり、本実施形態における太陽電池モジュール1は、その形状、構造の対称性に由来して、集光板2のいずれの面から光が入射してもその光電力変換効率は変わらない特長を有する。
On the other hand, according to the
That is, the
以上説明したように、本実施形態における太陽電池モジュール1によれば、波長変換体7によって、集光板2に入射した光のうち蛍光体21によって吸収されずに集光板2を透過した光が吸収され、蛍光体21によって吸収可能な光に変換して射出される。そのため、波長変換体7によって変換された光が蛍光体21によって吸収されることにより、従来導光体を透過し発電に寄与しなかった光が発電に寄与できるようになる。従って、本実施形態によれば、高い発電効率を得ることができる。
As described above, according to the
また、本実施形態によれば、波長変換体7が集光板2の第2主面2bの側に配置されているため、集光板2に入射した光のうち集光板2を透過した光を波長変換体7によって十分に吸収することができ、蛍光体21によって吸収可能な光に変換して射出することができる。
Moreover, according to this embodiment, since the
仮に、波長変換体7が集光板2の内部に配置されていると、集光板2の導光特性が低下するおそれがある。これに対し、本実施形態によれば、波長変換体7が集光板2の外部(第2主面2bの側)に配置されているため、集光板2の導光特性が低下することを回避することができる。
If the
また、本実施形態によれば、波長変換体7が集光板2の第2主面2bの側に空気層9を介して配置されているため、集光板2の屈折率と空気層9の屈折率との間の屈折率差が大きい。そのため、集光板2を伝播する光が集光板2と空気層9との間の界面で全反射しやすくなり、光の損失を低減できる。
Moreover, according to this embodiment, since the
また、本実施形態によれば、波長変換体7が無機波長変換材料からなる複数の粒子70を含むため、集光板2に入射した光のうち集光板2を透過した光を複数の粒子70によって十分に吸収することができ、蛍光体21によって吸収可能な光に変換して射出することができる。
Moreover, according to this embodiment, since the
また、本実施形態によれば、互いに隣り合う2つの粒子70の間には空隙71が形成されているため、粒子70から等方発光した光が粒子70と空隙71との界面で屈折、反射し、その結果光散乱性を有する。そのため、粒子70から等方発光した光は周辺の粒子70と空隙71で構成される波長変換体7を進むうちに、散乱され、上方に取り出され易くなる。従って、波長変換体7によって蛍光体21に吸収可能に変換された光が集光板2に向けて射出され易くなる。
Further, according to the present embodiment, since the void 71 is formed between the two
また、本実施形態によれば、波長変換体7の集光板2の側とは反対側に反射板8が配置されているため、集光板2を透過した光がさらに波長変換体7を透過しても、波長変換体7によって蛍光体21に吸収可能に変換した光が集光板2の側とは反対側に向かっても、これらの光は反射板8の表面で反射される。従って、光の損失を低減できる。
Further, according to the present embodiment, since the
また、本実施形態によれば、波長変換体7が反射板8の集光板8の側の面に形成されているため、集光板2を透過した光がさらに波長変換体7を透過しても、波長変換体7によって蛍光体21に吸収可能に変換した光が集光板2の側とは反対側に向かっても、これらの光はその直後に反射板8の表面で反射される。従って、光の損失をより確実に低減できる。また、波長変換体7を反射板8を基板として形成することができるため、波長変換体7が無機波長変換材料からなる複数の粒子70を含む場合、波長変換体7を反射板8と離間して形成するよりも作製し易い。
Further, according to the present embodiment, since the
また、本実施形態によれば、波長変換体7が集光板2を透過した光(図10中のL1及びL2)の少なくとも一部を散乱するため、蛍光体21によって吸収される光(図10中のL1)が集光板2を透過しても、透過した光(可視光)(図10中のL1)は波長変換体7によって散乱され、再び集光板2に返される。従って、光の損失を低減できる。
Further, according to the present embodiment, since the
[第2実施形態]
図24は、第2実施形態に係る太陽電池モジュール201を示す断面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 24 is a cross-sectional view showing a
図24に示すように、本実施形態に係る太陽電池モジュール201の基本構成は第1実施形態と同様であり、集光板202が複数種類の蛍光体(例えば本実施形態では第1蛍光体121及び第2蛍光体122の2種類の蛍光体)を含む点が第1実施形態と異なる。そのため、本実施形態では、太陽電池モジュール201の基本構成の説明は省略する。
As shown in FIG. 24, the basic configuration of the
本実施形態の場合、集光板202の内部には、第1蛍光体121及び第2蛍光体122の2種類の蛍光体が分散されている。第1蛍光体121は、青色〜緑色光を吸収して緑色の蛍光を放射する。第2蛍光体122は、緑色〜橙色光を吸収して橙色の蛍光を放射する。本実施形態では、第1蛍光体121としてBASF社製Lumogen F Green(商品名)、第2蛍光体122としてBASF社製Lumogen F Orange(商品名)を用いる。第1蛍光体121は、概ね400nm〜500nmの波長の光を吸収する。第1蛍光体121の発光スペクトルは、490nmにピーク波長を有する。第2蛍光体122は、概ね450nm〜550nmの波長の光を吸収する。第2蛍光体122の発光スペクトルは、540nmにピーク波長を有する。
In the case of the present embodiment, two types of phosphors, the
2種類の蛍光体121,122は互いに吸収スペクトルのピーク波長が異なっている。2種類の蛍光体121,122のうち少なくとも一種の蛍光体のスペクトルのピーク波長と波長変換体7の発光スペクトルのピーク波長とは概ね一致している。例えば、蛍光体121の吸収スペクトルのピーク波長と、波長変換体7の発光スペクトルのピーク波長とが概ね一致するようにする。ここで、「概ね一致する」とは次のように定義される。
The two types of
「概ね一致する」とは、波長変換体7の発光スペクトルのピーク波長が、以下に示す「第一の波長範囲」に含まれていることを意味する。
「第一の波長範囲」は「波長300nm〜1000nmの範囲で、蛍光体121の吸収スペクトルのピーク波長における吸光度(又は吸光度)を1としたとき、蛍光体121の吸光度(又は吸収率)が0.1以上である波長域」と定義する。
The term “substantially matches” means that the peak wavelength of the emission spectrum of the
The “first wavelength range” is “the absorbance (or absorbance) of the
例えば、図12の場合、「第一の波長範囲」は、0.1λ1≦λ≦0.1λ2である。ここで、蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長λpは、波長300nm〜1000nmの範囲で、蛍光体121の吸光度が最も大きくなる波長である。「第一の波長範囲」は蛍光体121の吸収帯域であるので、波長変換体7の発光を吸収することが可能である。
For example, in the case of FIG. 12, the “first wavelength range” is 0.1λ1 ≦ λ ≦ 0.1λ2. Here, the peak wavelength λp of the absorption spectrum of the phosphor is a wavelength at which the absorbance of the
また、波長変換体7の発光スペクトルのピーク波長が、以下に示す「第二の波長範囲」に含まれていることがさらに好ましい。
「第二の波長範囲」は「波長300nm〜1000nmの範囲で、蛍光体121の吸収スペクトルのピーク波長における吸光度(又は吸光度)を1としたとき、蛍光体121の吸光度(又は吸収率)が0.5以上である波長域」と定義する。
Moreover, it is more preferable that the peak wavelength of the emission spectrum of the
The “second wavelength range” is “the absorbance (or absorbance) of the
例えば、図12の場合、「第二の波長範囲」は、0.5λ1≦λ≦0.5λ2である。「第二の波長範囲」は蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長λpの半値全幅の範囲であり、蛍光体121の吸収ピーク波長λpの近傍であるため、波長変換体7の発光をより効率よく十分に吸収することが可能である。
For example, in the case of FIG. 12, the “second wavelength range” is 0.5λ1 ≦ λ ≦ 0.5λ2. The “second wavelength range” is the range of the full width at half maximum of the peak wavelength λp of the absorption spectrum of the phosphor, and is in the vicinity of the absorption peak wavelength λp of the
本実施形態における太陽電池モジュール201によれば、波長変換体7によって、集光板2に入射した光のうち第1蛍光体121及び第2蛍光体122のいずれによっても吸収されずに集光板2を透過した光が吸収され、第1蛍光体121又は第2蛍光体122のいずれかによって吸収可能な光に変換して射出される。そのため、波長変換体7によって変換された光が第1蛍光体121又は第2蛍光体122のいずれかによって吸収されることにより、発電に寄与できるようになる。従って、本実施形態によれば、高い発電効率を得ることができる。
According to the
なお、本実施形態では、複数種類の蛍光体として2種類の蛍光体を用いる場合を挙げて説明したが、これに限らず、3種類以上の複数種類の蛍光体を用いてもよい。 In the present embodiment, the case where two types of phosphors are used as the plurality of types of phosphors has been described. However, the present invention is not limited to this, and three or more types of phosphors may be used.
例えば4種類の蛍光体を用いる場合、第1蛍光体としては、緑色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Green(商品名)を用いる。第2蛍光体としては、橙色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Orange(商品名)を用いる。第3蛍光体としては、赤色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Red(商品名)を用いる。第1蛍光体、第2蛍光体及び第3蛍光体のそれぞれの濃度は、透明基材20(PMMA樹脂)の重量に対して、0.02wt%である。
第4蛍光体としては、近赤外発光蛍光体である「Perylene perinone」を用いる。「Perylene perinone」については、非特許文献「APPLIED OPTICS/Vol.50,No.2/10 January 2011」に記載されている。第4蛍光体の濃度は、透明基材20(PMMA樹脂)の重量に対して、0.005wt%である。また、透明基材20の板厚は4mmである。
以下、4種類の蛍光体を用いる場合について図25〜図30を用いて説明する。
For example, when four types of phosphors are used, Lumogen F Green (trade name) manufactured by BASF, which is a green light-emitting phosphor, is used as the first phosphor. As the second phosphor, Lumogen F Orange (trade name) manufactured by BASF, which is an orange light emitting phosphor, is used. As the third phosphor, BASF Lumogen F Red (trade name), which is a red light-emitting phosphor, is used. Each density | concentration of 1st fluorescent substance, 2nd fluorescent substance, and 3rd fluorescent substance is 0.02 wt% with respect to the weight of the transparent base material 20 (PMMA resin).
As the fourth phosphor, “Perylene perinone” which is a near-infrared emitting phosphor is used. “Perylene perinone” is described in a non-patent document “APPLIED OPTICS / Vol.50, No. 2/10 January 2011”. The density | concentration of 4th fluorescent substance is 0.005 wt% with respect to the weight of the transparent base material 20 (PMMA resin). The plate thickness of the
Hereinafter, the case where four types of phosphors are used will be described with reference to FIGS.
先ず、太陽光のスペクトル(エアマス1.5)について図25を用いて説明する。
図25は、太陽光のスペクトル(エアマス1.5)を示す図である。図25において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は強度[mW/cm2/nm]である。
First, the spectrum of sunlight (air mass 1.5) will be described with reference to FIG.
FIG. 25 is a diagram showing a spectrum of sunlight (air mass 1.5). In FIG. 25, the horizontal axis represents wavelength [nm] and the vertical axis represents intensity [mW / cm 2 / nm].
図25に示すように、太陽光のスペクトル(エアマス1.5)は、可視波長域内にピーク波長を有する。太陽光のスペクトル(エアマス1.5)のピーク波長は、概ね500nmである。太陽光のスペクトル(エアマス1.5)の波長域は、概ね280nm〜4000nmの範囲に存在する。 As shown in FIG. 25, the spectrum of sunlight (air mass 1.5) has a peak wavelength in the visible wavelength region. The peak wavelength of the sunlight spectrum (air mass 1.5) is approximately 500 nm. The wavelength range of the sunlight spectrum (air mass 1.5) is approximately in the range of 280 nm to 4000 nm.
次に、4種類の蛍光体の吸収特性、集光板の吸収特性について図26及び図27を用いて説明する。
図26は、4種類の蛍光体のそれぞれの吸収スペクトル及び4種類の蛍光体を混在した集光板の吸収スペクトルを示す図である。図26において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は吸光度[a.u.]である。図26において、「G」は緑色発光蛍光体の吸収スペクトル、「O」は橙色発光蛍光体の吸収スペクトル、「R」は赤色発光蛍光体の吸収スペクトル、「NIR」は近赤外発光蛍光体の吸収スペクトル、「Blend」は上記4種類の蛍光体を混合した集光板の吸収スペクトルである。
Next, the absorption characteristics of the four types of phosphors and the absorption characteristics of the light collector will be described with reference to FIGS. 26 and 27. FIG.
FIG. 26 is a diagram showing the absorption spectra of each of the four types of phosphors and the absorption spectrum of the light collecting plate in which the four types of phosphors are mixed. In FIG. 26, the horizontal axis represents wavelength [nm] and the vertical axis represents absorbance [au]. In FIG. 26, “G” is the absorption spectrum of the green light emitting phosphor, “O” is the absorption spectrum of the orange light emitting phosphor, “R” is the absorption spectrum of the red light emitting phosphor, and “NIR” is the near infrared light emitting phosphor. The “Blend” is an absorption spectrum of a light collecting plate in which the above four types of phosphors are mixed.
図26に示すように、4種類の蛍光体は、互いに吸収スペクトルのピーク波長が異なる。緑色発光蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長は概ね475nmである。橙色発光蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長は概ね525nmである。赤色発光蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長は概ね575nmである。近赤外発光蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長は概ね625nmである。 As shown in FIG. 26, the four types of phosphors have different absorption spectrum peak wavelengths. The peak wavelength of the absorption spectrum of the green light emitting phosphor is approximately 475 nm. The peak wavelength of the absorption spectrum of the orange light emitting phosphor is approximately 525 nm. The peak wavelength of the absorption spectrum of the red light emitting phosphor is approximately 575 nm. The peak wavelength of the absorption spectrum of the near-infrared emitting phosphor is approximately 625 nm.
4種類の蛍光体を混在した集光板の吸収スペクトルの形状は、緑色発光蛍光体の吸収スペクトルの形状、橙色発光蛍光体の吸収スペクトルの形状、赤色発光蛍光体の吸収スペクトルの形状及び近赤外発光蛍光体の吸収スペクトルの形状を覆うような形状となっている。 The shape of the absorption spectrum of the light collecting plate in which four kinds of phosphors are mixed is the shape of the absorption spectrum of the green light emitting phosphor, the shape of the absorption spectrum of the orange light emitting phosphor, the shape of the absorption spectrum of the red light emitting phosphor, and the near infrared. The shape covers the shape of the absorption spectrum of the light emitting phosphor.
図27は、4種類の蛍光体を混在した集光板の吸収スペクトルを示す図である。図27において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は吸収率[%]である。 FIG. 27 is a diagram showing an absorption spectrum of a light collecting plate in which four types of phosphors are mixed. In FIG. 27, the horizontal axis represents wavelength [nm], and the vertical axis represents absorption rate [%].
図27に示すように、4種類の蛍光体を混在した集光板は、200nm〜600nmの範囲の波長域で、概ね100%の吸収率を有する。図26及び図27に示したように、集光板の内部に4種類の蛍光体を分散させることにより、特定の波長域の光を吸収可能な集光板を得ることができる。 As shown in FIG. 27, the light collecting plate in which four kinds of phosphors are mixed has an absorptance of approximately 100% in a wavelength range of 200 nm to 600 nm. As shown in FIGS. 26 and 27, by dispersing four types of phosphors inside the light collecting plate, a light collecting plate capable of absorbing light in a specific wavelength region can be obtained.
次に、4種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルについて図28を用いて説明する。
図28は、4種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq1を、太陽光のスペクトルSp(エアマス1.5)及び4種類の蛍光体を混在した集光板の透過スペクトルSt1と共に示す図である。図28において、横軸は波長[nm]であり、左側の縦軸は強度[mW/cm2/nm]であり、右側の縦軸は透過率[%]である。尚、透過スペクトルSt1は、表面反射率3.9%も非透過成分として含めている。
Next, the spectrum of sunlight that passes through a light collector in which four types of phosphors are mixed will be described with reference to FIG.
FIG. 28 shows the spectrum Sq1 of sunlight transmitted through the light collecting plate in which four types of phosphors are mixed, and the transmission spectrum St1 of the light collecting plate in which sunlight spectrum Sp (air mass 1.5) and four types of phosphors are mixed. It is a figure shown with. In FIG. 28, the horizontal axis represents wavelength [nm], the left vertical axis represents intensity [mW /
図28に示すように、4種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq1は、太陽光のスペクトルSpと透過スペクトルSt1との掛け合わせによって得られる。4種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq1は、600nm〜4000nmの範囲の波長域に存在する。図28では、便宜上、1000nmまでの範囲を示している。 As shown in FIG. 28, the spectrum Sq1 of sunlight transmitted through the light collecting plate in which four types of phosphors are mixed is obtained by multiplying the spectrum Sp of sunlight and the transmission spectrum St1. The spectrum Sq1 of sunlight transmitted through the light collector mixed with four kinds of phosphors exists in a wavelength range of 600 nm to 4000 nm. In FIG. 28, the range up to 1000 nm is shown for convenience.
次に、多光子励起蛍光体としてNaYF4:Er,Ybを用いたときの発光特性及び励起特性について図29を用いて説明する。
図29は、多光子励起蛍光体としてNaYF4:Er,Ybを用いたときの発光スペクトルSr1及び励起スペクトルSu1を示す図である。図29において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は強度[a.u.]である。
Next, emission characteristics and excitation characteristics when NaYF4: Er, Yb is used as the multiphoton excitation phosphor will be described with reference to FIG.
FIG. 29 is a diagram showing an emission spectrum Sr1 and an excitation spectrum Su1 when NaYF4: Er, Yb is used as the multiphoton excitation phosphor. In FIG. 29, the horizontal axis represents wavelength [nm], and the vertical axis represents intensity [au].
図29に示すように、発光スペクトルSr1のピーク波長は概ね550nmである。励起スペクトルSu1は930nm〜960nmの範囲の波長域に存在する。尚、励起スペクトルSu1と吸収スペクトルとはほぼ同等とみなすことができる。多光子励起蛍光体が無機波長変換材料からなる粒子の場合、吸収スペクトルを直接測定することは困難であるからである。 As shown in FIG. 29, the peak wavelength of the emission spectrum Sr1 is approximately 550 nm. The excitation spectrum Su1 exists in a wavelength range of 930 nm to 960 nm. Note that the excitation spectrum Su1 and the absorption spectrum can be regarded as substantially equivalent. This is because it is difficult to directly measure the absorption spectrum when the multiphoton excitation phosphor is a particle made of an inorganic wavelength conversion material.
次に、多光子励起蛍光体としてNaYF4:Er,Ybを用いたときの発光特性と4種類の蛍光体を混在した集光板の吸収特性との関係について図30を用いて説明する。
図30は、多光子励起蛍光体としてNaYF4:Er,Ybを用いたときの発光スペクトルSr1と4種類の蛍光体を混在した集光板の吸収スペクトルSa1との関係を示す図である。図30において、横軸は波長[nm]であり、左側の縦軸は集光板の吸収率[%]であり、右側の縦軸は多光子励起蛍光体の発光強度[a.u.]である。
Next, the relationship between the light emission characteristics when NaYF4: Er, Yb is used as the multiphoton excitation phosphor and the absorption characteristics of the light collecting plate in which four kinds of phosphors are mixed will be described with reference to FIG.
FIG. 30 is a diagram showing the relationship between the emission spectrum Sr1 when NaYF4: Er, Yb is used as the multiphoton excitation phosphor and the absorption spectrum Sa1 of the light collecting plate in which four kinds of phosphors are mixed. In FIG. 30, the horizontal axis is the wavelength [nm], the left vertical axis is the absorption rate [%] of the light collector, and the right vertical axis is the emission intensity [au] of the multiphoton excited phosphor.
図30に示すように、発光スペクトルSr1のピーク波長は概ね550nmである。吸収スペクトルSa1は、200nm〜600nmの範囲の波長域で、概ね100%の吸収率を有する。多光子励起蛍光体の発光スペクトルSr1と集光板の吸収スペクトルSa1とが重なっているため、多光子励起蛍光体からの発光を集光板で十分に吸収することができる。 As shown in FIG. 30, the peak wavelength of the emission spectrum Sr1 is approximately 550 nm. The absorption spectrum Sa1 has an absorptance of approximately 100% in the wavelength range of 200 nm to 600 nm. Since the emission spectrum Sr1 of the multiphoton excitation phosphor and the absorption spectrum Sa1 of the light collector overlap, the light emission from the multiphoton excitation phosphor can be sufficiently absorbed by the light collector.
また、3種類の蛍光体を用いる場合、第1蛍光体としては、緑色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Green(商品名)を用いる。第2蛍光体としては、橙色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Orange(商品名)を用いる。第3蛍光体としては、赤色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Red(商品名)を用いる。第1蛍光体、第2蛍光体及び第3蛍光体のそれぞれの濃度は、透明基材20(PMMA樹脂)の重量に対して、0.02wt%である。
以下、3種類の蛍光体を用いる場合について図31〜図35を用いて説明する。
Further, when three types of phosphors are used, Lumogen F Green (trade name) manufactured by BASF, which is a green light emitting phosphor, is used as the first phosphor. As the second phosphor, Lumogen F Orange (trade name) manufactured by BASF, which is an orange light emitting phosphor, is used. As the third phosphor, BASF Lumogen F Red (trade name), which is a red light-emitting phosphor, is used. Each density | concentration of 1st fluorescent substance, 2nd fluorescent substance, and 3rd fluorescent substance is 0.02 wt% with respect to the weight of the transparent base material 20 (PMMA resin).
Hereinafter, the case where three types of phosphors are used will be described with reference to FIGS.
先ず、3種類の蛍光体の吸収特性、集光板の吸収特性について図31及び図32を用いて説明する。
図31は、3種類の蛍光体のそれぞれの吸収スペクトル及び3種類の蛍光体を混在した集光板の吸収スペクトルを示す図である。図31において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は吸光度[a.u.]である。図31において、「G」は緑色発光蛍光体の吸収スペクトル、「O」は橙色発光蛍光体の吸収スペクトル、「R」は赤色発光蛍光体の吸収スペクトル、「Blend」は上記3種類の蛍光体を混合した集光板の吸収スペクトルである。
First, the absorption characteristics of the three types of phosphors and the absorption characteristics of the light collector will be described with reference to FIGS. 31 and 32. FIG.
FIG. 31 is a diagram showing the absorption spectrum of each of the three types of phosphors and the absorption spectrum of the light collecting plate in which the three types of phosphors are mixed. In FIG. 31, the horizontal axis represents wavelength [nm] and the vertical axis represents absorbance [au]. In FIG. 31, “G” is the absorption spectrum of the green-emitting phosphor, “O” is the absorption spectrum of the orange-emitting phosphor, “R” is the absorption spectrum of the red-emitting phosphor, and “Blend” is the above three types of phosphors. It is an absorption spectrum of the light collecting plate mixed.
図31に示すように、3種類の蛍光体は、互いに吸収スペクトルのピーク波長が異なる。緑色発光蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長は概ね475nmである。橙色発光蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長は概ね525nmである。赤色発光蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長は概ね575nmである。 As shown in FIG. 31, the three types of phosphors have different absorption spectrum peak wavelengths. The peak wavelength of the absorption spectrum of the green light emitting phosphor is approximately 475 nm. The peak wavelength of the absorption spectrum of the orange light emitting phosphor is approximately 525 nm. The peak wavelength of the absorption spectrum of the red light emitting phosphor is approximately 575 nm.
3種類の蛍光体を混在した集光板の吸収スペクトルの形状は、緑色発光蛍光体の吸収スペクトルの形状、橙色発光蛍光体の吸収スペクトルの形状及び赤色発光蛍光体の吸収スペクトルの形状を覆うような形状となっている。 The shape of the absorption spectrum of the light collecting plate in which the three kinds of phosphors are mixed covers the shape of the absorption spectrum of the green light emitting phosphor, the shape of the absorption spectrum of the orange light emitting phosphor, and the shape of the absorption spectrum of the red light emitting phosphor. It has a shape.
図32は、3種類の蛍光体を混在した集光板の吸収スペクトルを示す図である。図32において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は吸収率[%]である。 FIG. 32 is a diagram showing an absorption spectrum of a light collecting plate in which three kinds of phosphors are mixed. In FIG. 32, the horizontal axis represents wavelength [nm], and the vertical axis represents absorption rate [%].
図32に示すように、3種類の蛍光体を混在した集光板は、200nm〜540nmの範囲の波長域で、概ね100%の吸収率を有する。図31及び図32に示したように、集光板の内部に3種類の蛍光体を分散させることにより、特定の波長域の光を吸収可能な集光板を得ることができる。 As shown in FIG. 32, the light collecting plate in which three kinds of phosphors are mixed has an absorptance of approximately 100% in a wavelength range of 200 nm to 540 nm. As shown in FIGS. 31 and 32, by dispersing three types of phosphors inside the light collecting plate, a light collecting plate capable of absorbing light in a specific wavelength region can be obtained.
次に、3種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルについて図33を用いて説明する。
図33は、3種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq2を、太陽光のスペクトルSp(エアマス1.5)及び3種類の蛍光体を混在した集光板の透過スペクトルSt2と共に示す図である。図33において、横軸は波長[nm]であり、左側の縦軸は強度[mW/cm2/nm]であり、右側の縦軸は透過率[%]である。尚、透過スペクトルSt2は、表面反射率3.9%も非透過成分として含めている。
Next, the spectrum of sunlight that passes through a light collector in which three kinds of phosphors are mixed will be described with reference to FIG.
FIG. 33 shows the spectrum Sq2 of sunlight transmitted through the light collecting plate in which three kinds of phosphors are mixed, and the transmission spectrum St2 of the light collecting plate in which sunlight spectrum Sp (air mass 1.5) and three kinds of phosphors are mixed. It is a figure shown with. In FIG. 33, the horizontal axis represents wavelength [nm], the left vertical axis represents intensity [mW /
図33に示すように、3種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq2は、太陽光のスペクトルSpと透過スペクトルSt2との掛け合わせによって得られる。3種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq2は、550nm〜1000nmの範囲の波長域に存在する。 As shown in FIG. 33, the spectrum Sq2 of sunlight transmitted through the light collecting plate in which three kinds of phosphors are mixed is obtained by multiplying the spectrum Sp of sunlight and the transmission spectrum St2. The spectrum Sq2 of sunlight that passes through the light collecting plate in which three kinds of phosphors are mixed exists in a wavelength range of 550 nm to 1000 nm.
次に、多光子励起蛍光体としてGd2(WO4)3:Tm,Ybを用いたときの発光特性及び励起特性について図34を用いて説明する。
図34は、多光子励起蛍光体としてGd2(WO4)3:Tm,Ybを用いたときの発光スペクトルSr2及び励起スペクトルSu2を示す図である。図33において、横軸は波長[nm]であり、縦軸は強度[a.u.]である。
Next, emission characteristics and excitation characteristics when Gd 2 (WO 4 ) 3 : Tm, Yb is used as the multiphoton excitation phosphor will be described with reference to FIG.
FIG. 34 is a diagram showing an emission spectrum Sr2 and an excitation spectrum Su2 when Gd 2 (WO 4 ) 3 : Tm, Yb is used as the multiphoton excitation phosphor. In FIG. 33, the horizontal axis represents wavelength [nm] and the vertical axis represents intensity [au].
図34に示すように、発光スペクトルSr2のピーク波長は概ね465nmである。励起スペクトルSu2は950nm〜1050nmの範囲の波長域に存在する。 As shown in FIG. 34, the peak wavelength of the emission spectrum Sr2 is approximately 465 nm. The excitation spectrum Su2 exists in a wavelength range of 950 nm to 1050 nm.
次に、多光子励起蛍光体としてGd2(WO4)3:Tm,Ybを用いたときの発光特性と3種類の蛍光体を混在した集光板の吸収特性との関係について図35を用いて説明する。
図35は、多光子励起蛍光体としてGd2(WO4)3:Tm,Ybを用いたときの発光スペクトルSr2と3種類の蛍光体を混在した集光板の吸収スペクトルSa2との関係を示す図である。図35において、横軸は波長[nm]であり、左側の縦軸は集光板の吸収率[%]であり、右側の縦軸は多光子励起蛍光体の発光強度[a.u.]である。
Next, with reference to FIG. 35, the relationship between the emission characteristics when Gd 2 (WO 4 ) 3 : Tm, Yb is used as the multiphoton excitation phosphor and the absorption characteristics of the light collector mixed with three kinds of phosphors is used. explain.
FIG. 35 is a diagram showing a relationship between an emission spectrum Sr2 when Gd 2 (WO 4 ) 3 : Tm, Yb is used as a multiphoton excitation phosphor and an absorption spectrum Sa2 of a light collector plate in which three kinds of phosphors are mixed. It is. In FIG. 35, the horizontal axis is the wavelength [nm], the left vertical axis is the absorption rate [%] of the light collector, and the right vertical axis is the emission intensity [au] of the multiphoton excitation phosphor.
図35に示すように、発光スペクトルSr2のピーク波長は概ね465nmである。吸収スペクトルSa2は、200nm〜540nmの範囲の波長域で、概ね100%の吸収率を有する。多光子励起蛍光体の発光スペクトルSr2と集光板の吸収スペクトルSa2とが重なっているため、多光子励起蛍光体からの発光を集光板で十分に吸収することができる。 As shown in FIG. 35, the peak wavelength of the emission spectrum Sr2 is approximately 465 nm. The absorption spectrum Sa2 has an absorptance of approximately 100% in the wavelength range of 200 nm to 540 nm. Since the emission spectrum Sr2 of the multiphoton excitation phosphor and the absorption spectrum Sa2 of the light collector overlap, the light emission from the multiphoton excitation phosphor can be sufficiently absorbed by the light collector.
[第3実施形態]
図36は、第3実施形態に係る太陽電池モジュール301を示す断面図である。
[Third embodiment]
FIG. 36 is a cross-sectional view showing a
図36に示すように、本実施形態に係る太陽電池モジュール301の基本構成は第1実施形態と同様であり、波長変換体307が集光板302の内部に含まれている点が第1実施形態と異なる。そのため、本実施形態では、太陽電池モジュール301の基本構成の説明は省略する。
As shown in FIG. 36, the basic configuration of the
波長変換体307は、有機波長変換材料からなる複数の粒子370を含む。例えば、有機波長変換材料は、非特許文献「Journal of Applied Physics, Vol. 81, No. 6, 15 March 1997」に紹介されている「trans-4@p-~N-hydroxyethyl-N-methylamino!stryryl#-N-methylpyridinium iodide」という色素を用いることができる。
The
本実施形態における太陽電池モジュール301によれば、波長変換体307によって、集光板302に入射した光のうち蛍光体21によって吸収されなかった光が吸収され、蛍光体21によって吸収可能な光に変換して射出される。そのため、波長変換体307によって変換された光が蛍光体21によって吸収されることにより、発電に寄与できるようになる。従って、本実施形態によれば、高い発電効率を得ることができる。
また、波長変換体307によって変換された光が集光板302の内部で蛍光体21に吸収されるため、蛍光体21の励起が高い効率で行われる。
According to the
Moreover, since the light converted by the
[第4実施形態]
図37は、第4実施形態に係る太陽電池モジュール401を示す断面図である。
[Fourth embodiment]
FIG. 37 is a cross-sectional view showing a
図37に示すように、本実施形態に係る太陽電池モジュール401の基本構成は第3実施形態と同様であり、波長変換体307と共に波長変換体407が集光板402の内部に含まれている点が第3実施形態と異なる。そのため、本実施形態では、太陽電池モジュール401の基本構成の説明は省略する。
As shown in FIG. 37, the basic configuration of the
波長変換体407は、無機波長変換材料からなる複数の粒子470を含む。例えば、無機波長変換材料は、非特許文献「Nature Materials 2012, vol.11, p.842-843」に紹介されている「NaYF4:Yb3+, Er3+共付活ナノ粒子蛍光体にシアニン色素(IR-806)を修飾した」無機−有機ハイブリッド材料を用いることができる。
また、無機−有機ハイブリッド材料ではなくても、粒径がナノメートルオーダーサイズの無機アップコンバージョン蛍光体であっても集光板の内部に設置することで効果を得ることができる。例えば、代表的なナノ粒子アップコンバージョン蛍光体としては、NaYF4:Yb3+, Er3+やNaYF4:Yb3+, Tm3+等が挙げられる。
The
Moreover, even if it is not an inorganic-organic hybrid material, even if it is an inorganic up-conversion fluorescent substance with a particle size of a nanometer order size, an effect can be acquired by installing in an inside of a light-condensing plate. For example, typical nanoparticle up-conversion phosphors include NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ and NaYF 4 : Yb 3+ , Tm 3+ .
2種類の波長変換体307,407は、互いに吸収スペクトルのピーク波長が異なっている。2種類の波長変換体307,407のうち少なくとも一種の波長変換体の発光スペクトルのピーク波長と蛍光体21の吸収スペクトルのピーク波長とは概ね一致している。例えば、蛍光体21の吸収スペクトルのピーク波長と、波長変換体307の発光スペクトルのピーク波長とが概ね一致するようにする。ここで、「概ね一致する」とは次のように定義される。
The two types of
「概ね一致する」とは、波長変換体307の発光スペクトルのピーク波長が、以下に示す「第一の波長範囲」に含まれていることを意味する。
「第一の波長範囲」は「波長300nm〜1000nmの範囲で、蛍光体21の吸収スペクトルのピーク波長における吸光度(又は吸光度)を1としたとき、蛍光体21の吸光度(又は吸収率)が0.1以上である波長域」と定義する。
“Generally match” means that the peak wavelength of the emission spectrum of the
The “first wavelength range” is “the absorbance (or absorbance) of the
例えば、図12の場合、「第一の波長範囲」は、0.1λ1≦λ≦0.1λ2である。ここで、蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長λpは、波長300nm〜1000nmの範囲で、蛍光体21の吸光度が最も大きくなる波長である。「第一の波長範囲」は蛍光体21の吸収帯域であるので、波長変換体307の発光を吸収することが可能である。
For example, in the case of FIG. 12, the “first wavelength range” is 0.1λ1 ≦ λ ≦ 0.1λ2. Here, the peak wavelength λp of the absorption spectrum of the phosphor is a wavelength at which the absorbance of the
また、波長変換体307の発光スペクトルのピーク波長が、以下に示す「第二の波長範囲」に含まれていることがさらに好ましい。
「第二の波長範囲」は「波長300nm〜1000nmの範囲で、蛍光体21の吸収スペクトルのピーク波長における吸光度(又は吸光度)を1としたとき、蛍光体21の吸光度(又は吸収率)が0.5以上である波長域」と定義する。
Moreover, it is more preferable that the peak wavelength of the emission spectrum of the
The “second wavelength range” is “in the wavelength range of 300 nm to 1000 nm, where the absorbance (or absorbance) at the peak wavelength of the absorption spectrum of the
例えば、図12の場合、「第二の波長範囲」は、0.5λ1≦λ≦0.5λ2である。「第二の波長範囲」は蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長λpの半値全幅の範囲であり、蛍光体21の吸収ピーク波長λpの近傍であるため、波長変換体307の発光をより効率よく十分に吸収することが可能である。
For example, in the case of FIG. 12, the “second wavelength range” is 0.5λ1 ≦ λ ≦ 0.5λ2. The “second wavelength range” is the range of the full width at half maximum of the peak wavelength λp of the absorption spectrum of the phosphor, and is in the vicinity of the absorption peak wavelength λp of the
本実施形態における太陽電池モジュール401によれば、波長変換体307及び波長変換体407によって、集光板402に入射した光のうち蛍光体21によって吸収されなかった光が吸収され、蛍光体21によって吸収可能な光に変換して射出される。そのため、波長変換体307及び波長変換体407によって変換された光が蛍光体21によって吸収されることにより、発電に寄与できるようになる。従って、本実施形態によれば、高い発電効率を得ることができる。
また、波長変換体307及び波長変換体407によって変換された光が集光板402の内部で蛍光体21に吸収されるため、蛍光体21の励起が高い効率で行われる。
According to the
Further, since the light converted by the
[第5実施形態]
図38は、第5実施形態に係る太陽電池モジュール501を示す断面図である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 38 is a cross-sectional view showing a
図38に示すように、本実施形態に係る太陽電池モジュール501の基本構成は第1実施形態と同様であり、反射板8に替えて波長変換体7を支持する支持板508が設けられている点が第1実施形態と異なる。そのため、本実施形態では、太陽電池モジュール501の基本構成の説明は省略する。
As shown in FIG. 38, the basic configuration of the
例えば、支持板508は、一般的な太陽電池モジュール用のバックシートである。具体的には、PETフィルムを基材とし、その基材上に有機性薄膜を積層させたシートである。尚、透明性を有する物でも良いし、拡散反射性を有する物でもよい。
For example, the
本実施形態における太陽電池モジュール501によれば、反射板8が設けられていなくても、高い反射率を実現することができる。図16に示したように、波長変換体7には粒子70と空隙71との界面が複数存在するため、蛍光体21によって吸収される光が集光板2を透過しても、集光板2を透過した光の大部分は、波長変換体7に深く入射することができず、波長変換体7の表面近傍で反射するからである。
According to the
[第6実施形態]
図39は、第6実施形態に係る太陽電池モジュール601を示す断面図である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 39 is a cross-sectional view showing a
図39に示すように、本実施形態に係る太陽電池モジュール601の基本構成は第5実施形態と同様であり、反射板8が支持板508の波長変換体7とは反対側に設けられている点が第5実施形態と異なる。そのため、本実施形態では、太陽電池モジュール601の基本構成の説明は省略する。
As shown in FIG. 39, the basic configuration of the
本実施形態における太陽電池モジュール601によれば、集光板2を透過した光がさらに波長変換体7及び支持板508を透過しても、透過光は反射板8の表面で反射される。従って、光の損失を低減できる。
According to the
[太陽光発電装置]
図40は、太陽光発電装置1000の概略構成図である。
太陽光発電装置1000は、太陽光のエネルギーを電力に変換する太陽電池モジュール1001と、太陽電池モジュール1001から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ(直流/交流変換器)1004と、太陽電池モジュール1001から出力された直流電力を蓄える蓄電池1005と、を備えている。
[Solar power generator]
FIG. 40 is a schematic configuration diagram of the solar
The solar
太陽電池モジュール1001は、太陽光を集光する集光部材(集光板)1002と、集光部材1002によって集光された太陽光によって発電を行う太陽電池素子1003とを備えている。このような太陽電池モジュール1001としては、例えば、第1実施形態から第6実施形態で説明した太陽電池モジュールが好適に用いられる。
The
太陽光発電装置1000は、外部の電子機器1006に対して電力を供給する。電子機器1006には、必要に応じて補助電力源1007から電力が供給される。
このような構成の太陽光発電装置1000は、前述した本発明に係る太陽電池モジュールを備えているため、高い発電効率を得ることが可能なものとなる。
The solar
Since the solar
以上、図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されないことは言うまでもない。上記の実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
その他、太陽電池モジュールの各構成要素の形状、数、配置、材料、形成方法等に関する具体的な記載は、上記の実施形態に限定されることなく、適宜変更が可能である。
As mentioned above, although preferred embodiment which concerns on this invention was described referring drawings, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above embodiment are merely examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
In addition, specific descriptions regarding the shape, number, arrangement, material, formation method, and the like of each component of the solar cell module are not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate.
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to a following example.
本願発明者は、集光板を透過する太陽光エネルギー(以下、非利用エネルギーと称することがある。)の内、どの程度を波長変換体の発光エネルギー(以下、再利用エネルギーと称することがある。)に変換できるかを試算した。以下、図41〜図44及び表2を用いて説明する。 The inventor of the present application may refer to how much light energy (hereinafter, also referred to as non-utilized energy) transmitted through the light collector is emitted energy of the wavelength converter (hereinafter referred to as reuse energy). ) Was calculated. Hereinafter, description will be made with reference to FIGS. 41 to 44 and Table 2. FIG.
[太陽電池モジュールの構成]
(1)集光板の板材料は、PMMA樹脂(屈折率1.49)を用いた。
(2)集光板は、一辺の長さが100cm程度、厚みが4mm程度のサイズのものを用いた。
(3)蛍光体は有機蛍光体である4種類の蛍光体を用いた。第1蛍光体としては、緑色発光蛍光体(G)であるBASF社製Lumogen F Green(商品名)を用いた。第2蛍光体としては、橙色発光蛍光体(O)であるBASF社製Lumogen F Orange(商品名)を用いた。第3蛍光体としては、赤色発光蛍光体(R)であるBASF社製Lumogen F Red(商品名)を用いた。第1蛍光体、第2蛍光体及び第3蛍光体のそれぞれの濃度は、PMMA樹脂の重量に対して、0.02wt%とした。
第4蛍光体としては、近赤外発光蛍光体(IR1)である「Perylene perinone」を用いた。「Perylene perinone」については、非特許文献「APPLIED OPTICS/Vol.50,No.2/10 January 2011」に記載されている。
第4蛍光体の濃度は、透明基材20(PMMA樹脂)の重量に対して、0.005wt%とした。
(4)太陽電池素子は、GaAs太陽電池を用いた。GaAs太陽電池の平均変換効率は25%である。
[Configuration of solar cell module]
(1) PMMA resin (refractive index 1.49) was used for the plate material of the light collector.
(2) As the light collector, one having a side length of about 100 cm and a thickness of about 4 mm was used.
(3) Four types of phosphors, which are organic phosphors, were used as phosphors. As the first phosphor, Lumogen F Green (trade name) manufactured by BASF, which is a green light-emitting phosphor (G), was used. As the second phosphor, Lumogen F Orange (trade name) manufactured by BASF, which is an orange light emitting phosphor (O), was used. As the third phosphor, Lumogen F Red (trade name) manufactured by BASF, which is a red light emitting phosphor (R), was used. The concentration of each of the first phosphor, the second phosphor, and the third phosphor was 0.02 wt% with respect to the weight of the PMMA resin.
As the fourth phosphor, “Perylene perinone” which is a near-infrared light emitting phosphor (IR 1 ) was used. “Perylene perinone” is described in a non-patent document “APPLIED OPTICS / Vol.50, No. 2/10 January 2011”.
The density | concentration of 4th fluorescent substance was 0.005 wt% with respect to the weight of the transparent base material 20 (PMMA resin).
(4) A GaAs solar cell was used as the solar cell element. The average conversion efficiency of GaAs solar cells is 25%.
[計算パラメータ等]
(1)太陽光エネルギー利用効率は46.2%とした。
(2)集光板の第1主面及び第2主面における表面透過率はそれぞれ96%とした。
(3)蛍光体の量子効率は98%とした。
(4)透明基材(PMMA樹脂)の透過率は93.6%とした。
(5)蛍光体の自己吸収及び再発光効率は87.2%とした。
(6)集光板の閉じ込め効率(全反射率)は74.1%とした。
これらの計算パラメータから、太陽電池モジュールの変換効率は12.5%となった。
[Calculation parameters, etc.]
(1) The solar energy utilization efficiency was 46.2%.
(2) The surface transmittance of the first main surface and the second main surface of the light collector is 96%.
(3) The quantum efficiency of the phosphor was set to 98%.
(4) The transmittance of the transparent base material (PMMA resin) was 93.6%.
(5) The self-absorption and re-emission efficiency of the phosphor was 87.2%.
(6) The confinement efficiency (total reflectance) of the light collector is 74.1%.
From these calculation parameters, the conversion efficiency of the solar cell module was 12.5%.
[非利用エネルギー]
上記計算パラメータのうち、太陽光エネルギー利用効率(46.2%)をK1、表面透過率(96%)をK2とすると、非利用エネルギーEp[%]は、以下の式(1)により表される。
Ep=(100−K1)×(K2/100)×(K2/100)
上記式(1)より、非利用エネルギーは49.6%と算出された。
[Non-use energy]
Of the above calculation parameters, assuming that the solar energy utilization efficiency (46.2%) is K1 and the surface transmittance (96%) is K2, the non-utilization energy Ep [%] is expressed by the following equation (1). The
Ep = (100−K1) × (K2 / 100) × (K2 / 100)
From the above formula (1), the non-use energy was calculated to be 49.6%.
次に、5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルについて図41を用いて説明する。
図41は、5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq3を、太陽光のスペクトルSp(エアマス1.5)及び5種類の蛍光体を混在した集光板の透過スペクトルSt3と共に示す図である。図41において、横軸は波長[nm]であり、左側の縦軸は強度[mW/cm2/nm]であり、右側の縦軸は透過率[%]である。尚、透過スペクトルSt3は、上記計算パラメータにより求められたものである。
Next, the spectrum of sunlight that passes through a light collector in which five types of phosphors are mixed will be described with reference to FIG.
FIG. 41 shows the spectrum Sq3 of sunlight transmitted through a light collecting plate in which five kinds of phosphors are mixed, and the transmission spectrum St3 of the light collecting plate in which sunlight spectrum Sp (air mass 1.5) and five kinds of phosphors are mixed. It is a figure shown with. In FIG. 41, the horizontal axis represents wavelength [nm], the left vertical axis represents intensity [mW /
図41に示すように、5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq3は、太陽光のスペクトルSpと透過スペクトルSt3との掛け合わせによって得られる。5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq3は、650nm〜1600nmの範囲の波長域に存在する。5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光のスペクトルSq3の部分が、非利用エネルギーに相当する。 As shown in FIG. 41, the spectrum Sq3 of sunlight transmitted through the light collecting plate in which five kinds of phosphors are mixed is obtained by multiplying the spectrum Sp of sunlight and the transmission spectrum St3. The spectrum Sq3 of sunlight that passes through a light collecting plate in which five types of phosphors are mixed exists in a wavelength range of 650 nm to 1600 nm. The portion of the spectrum Sq3 of sunlight that passes through the light collecting plate in which five types of phosphors are mixed corresponds to non-use energy.
[試算条件]
(1)波長変換体は、複数の多光子励起蛍光体を含み、反射板の集光板の側の面に塗布により形成されているものを用いた(第1実施形態に係る波長変換体7及び反射板8に相当)。
(2)多光子励起蛍光体は、Phosphor Technology Ltd(英国)社製の多光子励起蛍光体(製品名:PTIR545)を用いた。
(3)波長変換体の吸収率は80%とした。
(4)波長変換体の量子効率は80%とした。
(5)波長変換体から射出された光の集光板への入射率は、light toolsでの計算結果より、94%とした。
[Estimation conditions]
(1) The wavelength converter includes a plurality of multiphoton excitation phosphors and is formed by coating on the surface of the reflector on the light condensing plate side (the
(2) A multiphoton excitation phosphor (product name: PTIR545) manufactured by Phosphor Technology Ltd (UK) was used as the multiphoton excitation phosphor.
(3) The absorptivity of the wavelength converter was 80%.
(4) The quantum efficiency of the wavelength converter was 80%.
(5) The incidence rate of the light emitted from the wavelength converter to the light collector is 94% based on the calculation result with the light tools.
[試算結果]
試算結果を表2に示す。
[Estimated results]
Table 2 shows the results of the trial calculation.
表2に示すように、多光子励起蛍光体としてPhosphor Technology Ltd(英国)社製のものを用いたとき、
(1)波長変換体の発光エネルギー(再利用エネルギー)は1.14%となった。
(2)変換効率の増加分は0.28%となった。
As shown in Table 2, when a phosphor produced by Phosphor Technology Ltd (UK) was used as a multiphoton excitation phosphor,
(1) The emission energy (reuse energy) of the wavelength converter was 1.14%.
(2) Increase in conversion efficiency was 0.28%.
次に、多光子励起蛍光体としてPhosphor Technology Ltd(英国)社製のものを用いたときの発光特性及び励起特性について図42を用いて説明する。
図42は、多光子励起蛍光体としてPhosphor Technology Ltd(英国)社製のものを用いたときの発光スペクトルSr10、吸収スペクトルSu10及び吸収エネルギーのスペクトルEu10を、太陽光スペクトルSp、5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光スペクトルSq3と共に示す図である。図42において、横軸は波長[nm]であり、左側の縦軸は強度[a.u.]であり、右側の縦軸は吸収率[%]である。
Next, emission characteristics and excitation characteristics when a phosphor produced by Phosphor Technology Ltd (UK) is used as the multiphoton excitation phosphor will be described with reference to FIG.
FIG. 42 shows the emission spectrum Sr10, the absorption spectrum Su10, and the absorption energy spectrum Eu10 when a multi-photon excitation phosphor manufactured by Phosphor Technology Ltd (UK) is used, the solar spectrum Sp, and the five types of phosphors. It is a figure shown with sunlight spectrum Sq3 which permeate | transmits the light-condensing plate mixed. In FIG. 42, the horizontal axis represents wavelength [nm], the left vertical axis represents intensity [au], and the right vertical axis represents absorption rate [%].
図42に示すように、発光スペクトルSr10のピーク波長は概ね550nmである。吸収スペクトルSu10は900nm〜1000nmの範囲の波長域に存在する。吸収スペクトルSu10のピーク波長は概ね950nm及び980nmである。吸収エネルギーのスペクトルEu10は、5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光スペクトルSq3と吸収スペクトルSu10との掛け合わせによって得られる。吸収エネルギーのスペクトルEu10の部分が吸収エネルギーに相当する。吸収エネルギーは1.64%であった。 As shown in FIG. 42, the peak wavelength of the emission spectrum Sr10 is approximately 550 nm. The absorption spectrum Su10 exists in a wavelength range of 900 nm to 1000 nm. The peak wavelengths of the absorption spectrum Su10 are approximately 950 nm and 980 nm. The absorption energy spectrum Eu10 is obtained by multiplying the sunlight spectrum Sq3 and the absorption spectrum Su10 that are transmitted through a light collecting plate in which five kinds of phosphors are mixed. The portion of the absorption energy spectrum Eu10 corresponds to the absorption energy. The absorbed energy was 1.64%.
また、表2に示すように、多光子励起蛍光体としてEr3+単独付活した蛍光体を用いたとき、
(1)波長変換体の発光エネルギー(再利用エネルギー)は1.21%となった。
(2)変換効率の増加分は0.30%となった。
Further, as shown in Table 2, when a phosphor activated by Er 3+ alone was used as the multiphoton excitation phosphor,
(1) The emission energy (reuse energy) of the wavelength converter was 1.21%.
(2) Increase in conversion efficiency was 0.30%.
次に、多光子励起蛍光体としてEr3+単独付活した蛍光体を用いたときの発光特性及び励起特性について図43を用いて説明する。
図43は、多光子励起蛍光体としてEr3+単独付活したものを用いたときの発光スペクトルSr11、吸収スペクトルSu11及び吸収エネルギーのスペクトルEu11を、太陽光スペクトルSp、5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光スペクトルSq3と共に示す図である。図43において、横軸は波長[nm]であり、左側の縦軸は強度[a.u.]であり、右側の縦軸は吸収率[%]である。
Next, emission characteristics and excitation characteristics when a phosphor activated by Er 3+ alone is used as the multiphoton excitation phosphor will be described with reference to FIG.
FIG. 43 shows an emission spectrum Sr11, an absorption spectrum Su11, and an absorption energy spectrum Eu11 when a single photon-excited phosphor activated with Er 3+ is used, a sunlight spectrum Sp, and five types of phosphors mixed together. It is a figure shown with sunlight spectrum Sq3 which permeate | transmits a light-condensing plate. In FIG. 43, the horizontal axis represents wavelength [nm], the left vertical axis represents intensity [au], and the right vertical axis represents absorption rate [%].
図43に示すように、発光スペクトルSr11のピーク波長は概ね550nmである。吸収スペクトルSu11は780nm〜840nmの範囲の波長域に存在する。吸収スペクトルSu11のピーク波長は概ね810nmである。吸収エネルギーのスペクトルEu11は、5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光スペクトルSq3と吸収スペクトルSu11との掛け合わせによって得られる。吸収エネルギーのスペクトルEu11の部分が吸収エネルギーに相当する。吸収エネルギーは2.06%であった。 As shown in FIG. 43, the peak wavelength of the emission spectrum Sr11 is approximately 550 nm. The absorption spectrum Su11 exists in a wavelength range of 780 nm to 840 nm. The peak wavelength of the absorption spectrum Su11 is approximately 810 nm. The absorption energy spectrum Eu11 is obtained by multiplying the sunlight spectrum Sq3 and the absorption spectrum Su11 that are transmitted through a light collecting plate in which five kinds of phosphors are mixed. The portion of the absorption energy spectrum Eu11 corresponds to the absorption energy. The absorbed energy was 2.06%.
また、表2に示すように、多光子励起蛍光体としてYb3+,Er3+共付活したものを用いたとき、
(1)波長変換体の発光エネルギー(再利用エネルギー)は1.05%となった。
(2)変換効率の増加分は0.26%となった。
Further, as shown in Table 2, when a multiphoton excitation phosphor co-activated with Yb 3+ and Er 3+ is used,
(1) The emission energy (reuse energy) of the wavelength converter was 1.05%.
(2) Increase in conversion efficiency was 0.26%.
次に、多光子励起蛍光体としてYb3+,Er3+共付活したものを用いたときの発光特性及び励起特性について図44を用いて説明する。
図44は、多光子励起蛍光体としてYb3+,Er3+共付活したものを用いたときの発光スペクトルSr12、吸収スペクトルSu12及び吸収エネルギーのスペクトルEu12を、太陽光スペクトルSp、5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光スペクトルSq3と共に示す図である。図44において、横軸は波長[nm]であり、左側の縦軸は強度[a.u.]であり、右側の縦軸は吸収率[%]である。
Next, emission characteristics and excitation characteristics when using Yb 3+ and Er 3+ co-activated phosphors as multiphoton excitation phosphors will be described with reference to FIG.
44 shows an emission spectrum Sr12, an absorption spectrum Su12, and an absorption energy spectrum Eu12 when a multi-photon excitation phosphor co-activated with Yb 3+ and Er 3+ is used, a solar spectrum Sp, and five types of phosphors. It is a figure shown with sunlight spectrum Sq3 which permeate | transmits the light-condensing plate mixed. In FIG. 44, the horizontal axis represents wavelength [nm], the left vertical axis represents intensity [au], and the right vertical axis represents absorption rate [%].
図44に示すように、発光スペクトルSr12のピーク波長は概ね550nmである。吸収スペクトルSu12は1000nm〜1060nmの範囲の波長域に存在する。吸収スペクトルSu12のピーク波長は概ね1030nmである。吸収エネルギーのスペクトルEu12は、5種類の蛍光体を混在した集光板を透過する太陽光スペクトルSq3と吸収スペクトルSu12との掛け合わせによって得られる。吸収エネルギーのスペクトルEu12の部分が吸収エネルギーに相当する。吸収エネルギーは1.41%であった。 As shown in FIG. 44, the peak wavelength of the emission spectrum Sr12 is approximately 550 nm. The absorption spectrum Su12 exists in a wavelength range of 1000 nm to 1060 nm. The peak wavelength of the absorption spectrum Su12 is approximately 1030 nm. The absorption energy spectrum Eu12 is obtained by multiplying the sunlight spectrum Sq3 and the absorption spectrum Su12 that are transmitted through the light collector in which five kinds of phosphors are mixed. The portion of the absorption energy spectrum Eu12 corresponds to the absorption energy. The absorbed energy was 1.41%.
以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further more concretely, this invention is not limited to a following example.
本願発明者は、本発明の太陽電池モジュールの効果を確認した。以下、確認結果について、表3を用いて説明する。 This inventor confirmed the effect of the solar cell module of this invention. Hereinafter, the confirmation result will be described with reference to Table 3.
[太陽電池モジュールの構成]
(1)集光板の板材料は、PMMA樹脂(屈折率1.49)を用いた。
(2)集光板は、一辺の長さが100cm程度、厚みが4mm程度のサイズのものを用いた。
(3)蛍光体は構成1から構成3の3種類とした。
(I)構成1は、4種類の蛍光体を用いた。
第1蛍光体としては、緑色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Green(商品名)を用いた。第2蛍光体としては、橙色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Orange(商品名)を用いた。第3蛍光体としては、赤色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Red(商品名)を用いた。第1蛍光体、第2蛍光体及び第3蛍光体のそれぞれの濃度は、PMMA樹脂の重量に対して、0.02wt%とした。
第4蛍光体としては、近赤外発光蛍光体である「Perylene perinone」を用いた。「Perylene perinone」については、非特許文献「APPLIED OPTICS/Vol.50,No.2/10 January 2011」に記載されている。第4蛍光体の濃度は、PMMA樹脂の重量に対して、0.005wt%とした。
(II)構成2は、3種類の蛍光体を用いた。
第1蛍光体としては、緑色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Green(商品名)を用いた。第2蛍光体としては、橙色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Orange(商品名)を用いた。第3蛍光体としては、赤色発光蛍光体であるBASF社製Lumogen F Red(商品名)を用いた。第1蛍光体、第2蛍光体及び第3蛍光体のそれぞれの濃度は、PMMA樹脂の重量に対して、0.02wt%とした。
(III)構成3は、構成1と同様の4種類の蛍光体を用いた。
[Configuration of solar cell module]
(1) PMMA resin (refractive index 1.49) was used for the plate material of the light collector.
(2) As the light collector, one having a side length of about 100 cm and a thickness of about 4 mm was used.
(3) Three types of phosphors,
(I)
As the first phosphor, BASF Lumogen F Green (trade name), which is a green light-emitting phosphor, was used. As the second phosphor, Lumogen F Orange (trade name) manufactured by BASF, which is an orange light emitting phosphor, was used. As the third phosphor, BASF Lumogen F Red (trade name), which is a red light-emitting phosphor, was used. The concentration of each of the first phosphor, the second phosphor, and the third phosphor was 0.02 wt% with respect to the weight of the PMMA resin.
As the fourth phosphor, “Perylene perinone”, which is a near-infrared emitting phosphor, was used. “Perylene perinone” is described in a non-patent document “APPLIED OPTICS / Vol.50, No. 2/10 January 2011”. The concentration of the fourth phosphor was 0.005 wt% with respect to the weight of the PMMA resin.
(II)
As the first phosphor, BASF Lumogen F Green (trade name), which is a green light-emitting phosphor, was used. As the second phosphor, Lumogen F Orange (trade name) manufactured by BASF, which is an orange light emitting phosphor, was used. As the third phosphor, BASF Lumogen F Red (trade name), which is a red light-emitting phosphor, was used. The concentration of each of the first phosphor, the second phosphor, and the third phosphor was 0.02 wt% with respect to the weight of the PMMA resin.
(III) In
[比較例]
太陽電池モジュールは、波長変換体及び反射板を備えていないものを用いた。太陽電池モジュールは、図6に記載の太陽電池モジュール2001に相当する。
[比較例1]
蛍光体は構成1とした。
[比較例2]
蛍光体は構成2とした。
[比較例1]
蛍光体は構成3とした。
[Comparative example]
The solar cell module used was not provided with a wavelength converter and a reflector. The solar cell module corresponds to the
[Comparative Example 1]
The phosphor was configured as 1.
[Comparative Example 2]
The phosphor was configured as 2.
[Comparative Example 1]
The phosphor was configured as 3.
[実施例]
太陽電池モジュールは、波長変換体及び反射板を備えているものを用いた。太陽電池モジュールは、図1に記載の太陽電池モジュール1に相当する。反射板としてはESRを用いた。
[Example]
The solar cell module used was provided with a wavelength converter and a reflector. The solar cell module corresponds to the
[実施例1]
蛍光体は構成1とした。
波長変換体としては、NaYF4:Er,Ybを用いた。
[実施例2]
蛍光体は構成2とした。
波長変換体としては、Gd2(WO4)3:Tm,Ybを用いた。
[実施例3]
蛍光体は構成3とした。
波長変換体としては、(1)NaYF4:Er,Yb及び(2)Gd2(WO4)3:Tm,Ybを混在させたものを用いた。
[Example 1]
The phosphor was configured as 1.
NaYF 4 : Er, Yb was used as the wavelength converter.
[Example 2]
The phosphor was configured as 2.
Gd 2 (WO 4 ) 3 : Tm, Yb was used as the wavelength converter.
[Example 3]
The phosphor was configured as 3.
As the wavelength converter, a mixture of (1) NaYF 4 : Er, Yb and (2) Gd 2 (WO 4 ) 3 : Tm, Yb was used.
各比較例及び各実施例について、太陽電池モジュールに対して1Sun(100mW/cm2)の太陽光を垂直入射させ、発電量[W]及び変換効率[%]を求めた。その結果を表3に示す。 For each comparative example and each example, 1 Sun (100 mW / cm 2 ) of sunlight was vertically incident on the solar cell module, and power generation [W] and conversion efficiency [%] were determined. The results are shown in Table 3.
表3に示すように、「比較例1」では、発電量が96[W]、変換効率が9.6[%]であった。これに対し、「実施例1」では、発電量が98.3[W](2.3W上昇)、変換効率が9.8[%](0.2%上昇)であった。
「比較例2」では、発電量が73.3[W]、変換効率が7.3[%]であった。これに対し、「実施例2」では、発電量が77.8[W](4.5W上昇)、変換効率が7.8[%](0.5%上昇)であった。
「比較例3」では、発電量が96[W]、変換効率が9.6[%]であった。これに対し、「実施例3」では、発電量が102.6[W](6.6W上昇)、変換効率が10.3[%](0.7%上昇)であった。
As shown in Table 3, in “Comparative Example 1”, the power generation amount was 96 [W], and the conversion efficiency was 9.6 [%]. On the other hand, in “Example 1”, the power generation amount was 98.3 [W] (up 2.3 W), and the conversion efficiency was 9.8 [%] (up 0.2%).
In “Comparative Example 2”, the power generation amount was 73.3 [W], and the conversion efficiency was 7.3 [%]. On the other hand, in “Example 2”, the power generation amount was 77.8 [W] (up 4.5 W), and the conversion efficiency was 7.8 [%] (up 0.5%).
In “Comparative Example 3”, the power generation amount was 96 [W], and the conversion efficiency was 9.6 [%]. On the other hand, in “Example 3”, the power generation amount was 102.6 [W] (6.6 W increase), and the conversion efficiency was 10.3 [%] (0.7% increase).
各比較例及び各実施例の結果から、波長変換体及び反射板を備えることにより、発電量及び変換効率を上昇できることが分かった。 From the results of each comparative example and each example, it was found that the power generation amount and the conversion efficiency can be increased by providing the wavelength converter and the reflector.
(1)光入射面と、前記光入射面よりも面積の小さい光射出面と、を有し、前記光入射面から入射した外光の一部を1又は複数の光機能材料によって吸収し、前記1又は複数の光機能材料で吸収された光とは異なる光に変換して前記光射出面から射出させる集光板と、前記集光板の前記光射出面から射出された光を受光する太陽電池素子と、前記光入射面に入射した光のうち前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光を吸収し、前記1又は複数の光機能材料のいずれかによって吸収される光に変換して射出する波長変換体と、を含む太陽電池モジュール。 (1) having a light incident surface and a light exit surface having an area smaller than that of the light incident surface, and absorbing a part of external light incident from the light incident surface by one or a plurality of optical functional materials; A light collector that converts light that is different from the light absorbed by the one or more optical functional materials and emits the light from the light exit surface, and a solar cell that receives the light emitted from the light exit surface of the light collector Light that has not been absorbed by any of the one or more optical functional materials among the light incident on the element and the light incident surface, and is absorbed by any of the one or more optical functional materials A solar cell module including:
(2)前記波長変換体は、前記集光板の前記光入射面とは反対側の面の側に配置されている上記(1)に記載の太陽電池モジュール。 (2) The solar cell module according to (1), wherein the wavelength converter is disposed on a surface of the light collector opposite to the light incident surface.
(3)前記波長変換体は、前記集光板の前記光入射面とは反対側の面の側に空気層を介して配置されている上記(2)に記載の太陽電池モジュール。 (3) The solar cell module according to (2), wherein the wavelength converter is disposed on an opposite surface of the light collector to the light incident surface via an air layer.
(4)前記波長変換体は、無機波長変換材料からなる複数の粒子を含んでいる上記(2)又は(3)に記載の太陽電池モジュール。 (4) The solar cell module according to (2) or (3), wherein the wavelength converter includes a plurality of particles made of an inorganic wavelength conversion material.
(5)互いに隣り合う2つの前記粒子の間には空隙が形成されている上記(4)に記載の太陽電池モジュール。 (5) The solar cell module according to (4), wherein a gap is formed between two adjacent particles.
(6)前記波長変換体の前記集光板の側とは反対側には反射板が配置されている上記(2)から(5)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。 (6) The solar cell module according to any one of (2) to (5), wherein a reflection plate is disposed on a side opposite to the light collector of the wavelength converter.
(7)前記波長変換体は、前記反射板の前記集光板の側の面に形成されている上記(6)に記載の太陽電池モジュール。 (7) The said wavelength converter is a solar cell module as described in said (6) currently formed in the surface at the side of the said light-condensing plate of the said reflecting plate.
(8)前記波長変換体は、前記光入射面に入射した光のうち前記集光板を通過した光の少なくとも一部を散乱する上記(2)から(7)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。 (8) The wavelength conversion body according to any one of (2) to (7), wherein the wavelength converter scatters at least a part of light that has passed through the light collector, among light incident on the light incident surface. Solar cell module.
(9)前記波長変換体は、前記集光板の内部に含まれている上記(1)に記載の太陽電池モジュール。 (9) The solar cell module according to (1), wherein the wavelength converter is included in the light collector.
(10)前記波長変換体の少なくとも一部は、有機波長変換材料からなる複数の粒子を含む上記(9)に記載の太陽電池モジュール。 (10) The solar cell module according to (9), wherein at least a part of the wavelength converter includes a plurality of particles made of an organic wavelength conversion material.
(11)前記波長変換体の少なくとも一部は、無機波長変換材料からなる複数の粒子を含む上記(9)又は(10)に記載の太陽電池モジュール。 (11) The solar cell module according to (9) or (10), wherein at least a part of the wavelength converter includes a plurality of particles made of an inorganic wavelength conversion material.
(12)上記(1)から(11)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュールでは、前記1又は複数の光機能材料のいずれかの吸収スペクトルのピーク波長と前記波長変換体の発光スペクトルのピーク波長とが概ね一致していてもよい。 (12) In the solar cell module according to any one of (1) to (11), the peak wavelength of the absorption spectrum of any one or the plurality of optical functional materials and the emission spectrum of the wavelength converter. The peak wavelength may substantially match.
(13)前記複数の光機能材料は、互いに異なる複数種類の光機能材料であり、前記複数種類の光機能材料のうち少なくとも一種の光機能材料の吸収スペクトルのピーク波長と前記波長変換体の発光スペクトルのピーク波長とが概ね一致している上記(12)に記載の太陽電池モジュール。 (13) The plurality of optical functional materials are different types of optical functional materials, and a peak wavelength of an absorption spectrum of at least one optical functional material among the plurality of types of optical functional materials and light emission of the wavelength converter. The solar cell module according to (12), wherein a peak wavelength of the spectrum is approximately the same.
(14)前記波長変換体は、互いに異なる複数種類の波長変換体であり、前記複数種類の波長変換体のうち少なくとも一種の波長変換体の発光スペクトルのピーク波長と前記1又は複数の光機能材料のいずれかの吸収スペクトルのピーク波長とが概ね一致している上記(12)又は(13)に記載の太陽電池モジュール。 (14) The wavelength converter is a plurality of different wavelength converters, and a peak wavelength of an emission spectrum of at least one of the plurality of wavelength converters and the one or more optical functional materials. The solar cell module according to the above (12) or (13), wherein the peak wavelength of any of the absorption spectra generally coincides.
(15)前記波長変換体は、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光の少なくとも一部を、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光よりも短波長の光に変換する上記(1)から(14)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。 (15) The wavelength converter is configured so that at least a part of the light that is not absorbed by any of the one or more optical functional materials is more than the light that is not absorbed by any of the one or more optical functional materials. The solar cell module according to any one of (1) to (14), wherein the light is also converted into light having a short wavelength.
(16)前記波長変換体のいずれかによって吸収される光の波長域は、前記1又は複数の光機能材料のいずれかによって吸収される光の波長域よりも長波長である上記(15)に記載の太陽電池モジュール。 (16) In the above (15), the wavelength range of light absorbed by any one of the wavelength converters is longer than the wavelength range of light absorbed by any one of the one or more optical functional materials. The solar cell module described.
(17)前記波長変換体は、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光と相互作用する発光中心を有し、前記発光中心は、基底状態との間に、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光が有するエネルギー以下のエネルギーギャップを持つ第1の励起状態を有する上記(16)に記載の太陽電池モジュール。 (17) The wavelength converter has an emission center that interacts with light that is not absorbed by any of the one or more optical functional materials, and the emission center is between the ground state and the 1 Or the solar cell module as described in said (16) which has a 1st excitation state with the energy gap below the energy which the light which was not absorbed by any of several optical functional materials has.
(18)前記発光中心は、基底状態との間に、前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光が有するエネルギーよりも高いエネルギーギャップを持つ第2の励起状態を有する上記(17)に記載の太陽電池モジュール。 (18) The emission center has a second excited state having an energy gap higher than an energy of light not absorbed by any of the one or more optical functional materials between the emission state and the ground state. (17) The solar cell module described in.
(19)前記第1の励起状態は、基底状態との間の電子遷移が禁制である上記(18)に記載の太陽電池モジュール。 (19) The solar cell module according to (18), wherein electronic transition between the first excited state and a ground state is forbidden.
(20)前記発光中心は、開殻f電子を有する元素を含む上記(19)に記載の太陽電池モジュール。 (20) The solar cell module according to (19), wherein the emission center includes an element having open-shell f electrons.
(21)前記元素は、希土類元素である上記(20)に記載の太陽電池モジュール。 (21) The solar cell module according to (20), wherein the element is a rare earth element.
(22)前記元素は、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、又はHo(ホルミウム)である上記(20)又は(21)に記載の太陽電池モジュール。 (22) The solar cell module according to (20) or (21), wherein the element is Er (erbium), Tm (thulium), or Ho (holmium).
(23)前記波長変換体は、増感剤を含む上記(16)から(22)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。 (23) The solar cell module according to any one of (16) to (22), wherein the wavelength converter includes a sensitizer.
(24)前記増感剤は、Yb(イッテルビウム)である上記(23)に記載の太陽電池モジュール。 (24) The solar cell module according to (23), wherein the sensitizer is Yb (ytterbium).
(25)上記(1)から(24)までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュールを備えている太陽光発電装置。 (25) A solar power generation device including the solar cell module according to any one of (1) to (24).
本発明は、太陽電池モジュール及び太陽光発電装置に利用可能である。 The present invention can be used for a solar cell module and a solar power generation device.
1,101,201,301,401,501,601…太陽電池モジュール、2,202,302…集光板、2a…第1主面(光入射面)、2c…端面(光射出面)、3…太陽電池素子、7,207,307,407…波長変換体、8…反射板、9…空気層、21…蛍光体(光機能材料)、70,370,470…粒子、71…空隙、1000…太陽光発電装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101,201,301,401,501,601 ... Solar cell module, 2, 202, 302 ... Light-condensing plate, 2a ... 1st main surface (light incident surface), 2c ... End surface (light emission surface), 3 ... Solar cell element, 7,207,307,407 ... wavelength converter, 8 ... reflector, 9 ... air layer, 21 ... phosphor (optical functional material), 70, 370, 470 ... particles, 71 ... void, 1000 ... Solar power plant
Claims (5)
前記集光板の前記光射出面から射出された光を受光する太陽電池素子と、
前記光入射面に入射した光のうち前記1又は複数の光機能材料のいずれによっても吸収されなかった光を吸収し、前記1又は複数の光機能材料のいずれかによって吸収される光に変換して射出する波長変換体と、
を含む太陽電池モジュール。 A light incident surface and a light exit surface having a smaller area than the light incident surface, and a part of the external light incident from the light incident surface is absorbed by one or more optical functional materials, A light collector for converting the light absorbed by the plurality of optical functional materials into light different from the light and emitting the light from the light exit surface;
A solar cell element that receives light emitted from the light exit surface of the light collector;
Absorbing light that has not been absorbed by any of the one or more optical functional materials out of light incident on the light incident surface, and converts the light to light absorbed by any of the one or plural optical functional materials. A wavelength converter to be emitted
Including solar cell module.
The sun according to any one of claims 1 to 4, wherein a peak wavelength of an absorption spectrum of any one or the plurality of optical functional materials and a peak wavelength of an emission spectrum of the wavelength converter are substantially the same. Battery module.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013129568A JP2015005604A (en) | 2013-06-20 | 2013-06-20 | Solar cell module, and photovoltaic power generation device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101892637B1 (en) * | 2017-08-30 | 2018-08-28 | 한국과학기술연구원 | Solar cell panel and the window comprising the same |
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2013
- 2013-06-20 JP JP2013129568A patent/JP2015005604A/en active Pending
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